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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator eines Fahrzeugs, und insbesondere einen thermoelektrischen Generator eines Fahrzeugs, welcher die Wärme des Abgases eines Fahrzeugs nutzt, um Elektrizität zu erzeugen.
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Beschreibung bezogener Technik
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Ein thermoelektrisches Element ist ein Element, welches ein thermoelektrisches Phänomen ausnutzt, bei welchem Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, indem die Temperaturlücke zwischen den beiden Enden eines Elements in Elektrizität umgewandelt wird, oder bei welchem elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird, indem ein Element von Elektrizität bzw. Strom durchflossen wird und die Temperaturlücke an den beiden Enden hervorgerufen wird. Ein solches thermoelektrisches Element wird in einer Heiz-, Kühl- oder Generator-Vorrichtung kleinen Umfangs verwendet.
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Wenn ein thermoelektrisches Element bei einer Generatorvorrichtung kleinen Umfangs verwendet wird, wird es als thermoelektrische Generatorvorrichtung oder thermoelektrischer Generator bezeichnet. Diese Vorrichtung wird hauptsächlich in einer Energieversorgungseinheit einer schnurlosen Kommunikationsvorrichtung, eines Raumschiffs und eines nukleargetriebenen Unterwasserboots verwendet, sowie bei einem thermoelektrischen Generator, der in einem Abgassystem eines Fahrzeugs eingebaut ist.
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1 ist eine Querschnittsansicht, welche einen thermoelektrischen Generator eines Fahrzeugs darstellt.
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Wie dargestellt weist ein in einem Abgassystem eines Fahrzeugs 10 eingebauter thermoelektrischer Generator auf: eine hexagonale Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung 40, durch welche Hochtemperaturabgas hindurchtritt; eine Kühlvorrichtung 30, welche außerhalb der Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung 40 eingebaut ist, und innerhalb der Kühlmittel hindurchtritt; sowie die Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen 20, welche mit dem Äußeren bzw. der Außenseite der Abgasrückgewinnungs-Vorrichtung 40 und mit dem Inneren bzw. der Innenseite der Kühlvorrichtung 30 in Kontakt sind, um Elektrizität zu erzeugen, indem die Temperaturlücke zwischen den zwei Enden genutzt wird.
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Innerhalb der Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung 40 strömt Hochtemperaturabgas, und es fördert Wärmeenergie zu den thermoelektrischen Modulen 20. Innerhalb der Kühlvorrichtung 30 ist ein Kühlrohr ausgebildet, welches die Temperaturlücke zwischen den Innenseiten der thermoelektrischen Module 20, welche im Kontakt mit der Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung 40 sind, und den Außenseiten der thermoelektrischen Module 20, die im Kontakt mit der Kühlvorrichtung 30 sind, erhöht. Wenn die Temperaturlücke zwischen der Innenseite und der Außenseite des thermoelektrischen Moduls 20 ansteigt, steigt die Effizienz des in dem Abgassystem eines Fahrzeugs eingebauten thermoelektrischen Generators.
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Um eine große Menge von Elektrizität bzw. Strom in einem thermoelektrischen Generator zu erzeugen, das heißt um die thermoelektrische Erzeugungseffizienz zu erhöhen, muss Wärmeenergie des Abgases effizient zu den thermoelektrischen Modulen gefördert werden. Bei dem herkömmlichen thermoelektrischen Generator eines Fahrzeugs wird die Wärmeenergie des Abgases jedoch nicht ausreichend zu dem Hochtemperaturbauteil gefördert, so dass die Rückgewinnungsrate der thermischen Energie des Abgases fällt und demzufolge die thermoelektrische Effizienz eines thermoelektrischen Generators sinkt.
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Obwohl bei einem herkömmlichen thermoelektrischen Generator eines Fahrzeugs eine Kühlvorrichtung 30 eine große Fläche einnimmt, ist der Wärmetauschbereich klein, und darum ist die Wärmeförderrate klein im Vergleich zur Fläche, und die Effizienz der thermoelektrischen Erzeugung ist klein.
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In der Druckschrift US 2011 / 0 067 742 A1 ist ein Stromerzeugungssystem beschrieben, welches aufweist: ein Auspuffrohr mit einer gekrümmten Außenhülle, das konfiguriert ist, um einen Strom eines Auspufffluids zu enthalten; einen ersten Wärmetauscher, der sich durch einen ersten Bereich des Auspuffrohrs erstreckt, wobei der erste Wärmetauscher mit der gekrümmten Außenhülle in thermischer Verbindung steht; einen zweiten Bereich des Auspuffrohrs, der sich durch das Auspuffrohr erstreckt, wobei der zweite Bereich einen niedrigen Auspufffluiddruckabfall aufweist; eine Auspuffklappe, die betriebsfähig innerhalb des zweiten Bereichs angeordnet und konfiguriert ist, um zuzulassen, dass das Auspufffluid nur dann durch den zweiten Bereich strömt, wenn eine Flussrate des Auspufffluids groß genug wird, um zu einem Gegendruck oberhalb einer zulässigen Grenze zu führen; und eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen in thermischer Verbindung mit einer Außenfläche der Außenhülle.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 011 472 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung bei Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, mit einer Abgasleitung, die abschnittweise einen ersten Abgasströmungskanal und einen parallel geschalteten, zweiten Abgasströmungskanal aufweist, einer zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung bewegbaren Ventilklappe, die einen Strömungsquerschnitt des ersten oder zweiten Abgasströmungskanals wahlweise verschließen oder zumindest teilweise freigeben kann, wenigstens ein thermoelektrisches Generatormodul, das einerseits mit dem zweiten Abgasströmungskanal und anderseits mit einem Kühlkreislauf thermisch gekoppelt ist, sowie einem Dehnstoffaktuator zur temperaturabhängigen Betätigung der Ventilklappe.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 003 144 A1 beschreibt einen Wärmeübertrager zur Umwandlung von thermischer Energie eines Abgases eines Verbrennungsmotors, in elektrische Energie, welcher einen Strömungskanal zum Leiten eines heißen Fluids aufweist. Mit dem Strömungskanal ist mindestens ein thermoelektrisches Modul zur Erzeugung elektrischer Energie thermisch verbunden, wobei der Strömungskanal aus einem keramischen Material hergestellt ist.
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Die Information, die in diesem Hintergrundabschnitt bereitgestellt wird, dient nur dem besseren Verständnis des allgemeinen Hintergrunds dieser Erfindung und sollte nicht so interpretiert werden, als würde hiermit anerkannt oder vorgeschlagen, dass diese Information den dem Fachmann bekannten Stand der Technik darstellt.
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KURZE ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG
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Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung zielen darauf ab, einen kleinen thermoelektrischen Generator eines Fahrzeugs mit verbesserter Effizienz der thermoelektrischen Stromerzeugung bzw. Erzeugung (kurz: Erzeugung) bereitzustellen.
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Die technischen Probleme, welche die vorliegende Erfindung lösen soll, sind nicht auf diejenigen beschränkt, welche oben erwähnt sind, und jene, welche nicht erwähnt sind, werden von einem Fachmann durch ein Studium der Beschreibung der vorliegenden Erfindung klar zu verstehen sein.
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Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine thermoelektrische Generatorvorrichtung eines Fahrzeugs ein Hochtemperaturbauteil aufweisen, welches ein Abgasrohr aufweist, durch das Abgas hoher Temperatur innen hindurchtritt bzw. -strömt, sowie eine ringförmige erste Wärmeübertragungsplatte bzw. ein erstes ringförmiges Wärmeübertragungsblech (kurz: Wärmeübertragungsplatte), welche das Abgasrohr umgibt, wobei das Abgasrohr Wärme mit der ersten Wärmeübertragungsplatte austauscht, und eine Mehrzahl von ersten Wärmetauschblättern bzw. -stiften bzw. -zapfen bzw. - lamellen (kurz: Wärmetauschblättern), die sich radial von der ersten Wärmeübertragungsplatte in einem vorbestimmten Winkel nach außen erstrecken, ein Niedertemperaturbauteil, welches ein Innengehäuse aufweist, welches das Abgasrohr umgibt, sowie ein Außengehäuse, welches das Innengehäuse mit einer vorbestimmten Lücke umgibt, um einen Kühlmittel-Flusspfad dazwischen zu erzeugen, eine ringförmige zweite Wärmeübertragungsplatte, welche eine Innenwand des Innengehäuses kontaktiert, und eine Mehrzahl von zweiten Wärmetauschblättern bzw. -stiften bzw. -zapfen bzw. -pins (kurz: Wärmetauschblättern), welche sich radial von der zweiten Wärmeübertragungsplatte in einem vorbestimmten Winkel nach innen erstrecken, und eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen, welche ausgebildet werden, indem ein p-Halbleiter und ein n-Halbleiter verbunden werden, wobei jeweils eine Seite davon im Kontakt mit den ersten Wärmetauschblättern ist und die jeweils andere Seite davon im Kontakt mit den zweiten Wärmetauschblättern ist, um Elektrizität unter Ausnutzung eines thermoelektrischen Phänomens, verursacht durch eine Temperaturlücke bzw. einen Temperatursprung bzw. einen Temperaturunterschied (kurz: Temperaturlücke) zwischen den ersten Wärmetauschblättern und den zweiten Wärmetauschblättern, zu erzeugen.
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Das Hochtemperaturbauteil kann ferner ein Bypassrohr aufweisen, welches innerhalb des Abgasrohrs mit einer vorbestimmten Lücke eingebaut ist, und durch welches das Abgas vorbeiströmt bzw. vorbeigeleitet wird, sowie ein Bypassventil, welches an einem fernen Ende des Bypassrohrs eingebaut ist und die Menge des Abgases steuert bzw. regelt, welche durch das Bypassrohr vorbeigeleitet wird, ein elastisches Bauteil, welches das Bypassventil elastisch am fernen Ende des Bypassrohrs stützt, und ein Wärmeübertragungsnetz bzw. -gitter bzw. -gewebe bzw. eine Wärmeübertragungsmatte bzw. ein Wärmeaustauschnetz bzw. -gitter bzw. -gewebe bzw. eine Wärmeaustauschmatte (kurz: Wärmeübertragungsnetz), welches zwischen dem Abgasrohr und dem Bypassrohr montiert ist, um das Abgasrohr zu heizen, indem es Wärme mit dem Abgas austauscht.
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Das Niedertemperaturbauteil weist ferner einen Kühlmitteleinlass auf, welcher auf einer Seite davon, wo das Kühlmittel hineinfließt, angeordnet ist, und einen auf der anderen Seite davon, wo das Kühlmittel heraus fließt, angeordneten Kühlmittelauslass, sowie eine Mehrzahl von Kühlmittelblenden bzw. -blechen bzw. -klappen (kurz: Kühlmittelblenden), die zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse eingebaut sind, wobei jeweils eine Seite davon geöffnet ist, wobei jede der Mehrzahl von Kühlmittelblenden einen geöffneten Abschnitt aufweist, wobei der geöffnete Abschnitt einer Kühlmittelblende und der geöffnete Abschnitt einer benachbarten Kühlmittelblende gegeneinander in einer Umfangsrichtung der Kühlmittelblenden versetzt sind, wobei der Kühlmitteleinlass an einem unteren Flusspfad des Abgases ausgebildet ist und der Kühlmittelauslass an einem oberen Flusspfad des Abgases ausgebildet ist.
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Ein Kühlmittel fließt zwischen dem Innengehäuse, dem Außengehäuse und der Mehrzahl von Kühlmittelblenden entlang eines Flusspfads in der entgegengesetzten Richtung zu der Richtung, in die das Kühlmittel entlang eines benachbarten Flusspfads fließt.
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Eine Richtung, in die das Kühlmittel fließt, ist der Richtung entgegengesetzt, in die das Abgas fließt.
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Das Bypassrohr kann eine Abgasöffnung aufweisen, die einen Innenraum des Bypassrohrs fluidisch mit einem zwischen dem Bypassrohr und dem Abgasrohr ausgebildeten Raum verbindet.
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Gemäß dem thermoelektrischen Generator eines Fahrzeugs der vorliegenden Erfindung wird bewirkt, dass die Größe des gesamten thermoelektrischen Generators klein ist, obwohl die Kontaktfläche bzw. Der Kontaktbereich zwischen dem Abgas und den thermoelektrischen Modulen groß ist.
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Es kann auch die Wirkung erzielt werden, dass die Treibstoffeffizienz verbessert wird, da die vorliegende Erfindung in dem Motor eines Fahrzeugs eingebaut ist und Elektrizität erzeugt und den bereits eingebauten Generator darin unterstützen kann, die Batterien zu laden.
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Indem das Wärmeübertragungsnetz zwischen dem Hochtemperaturbauteil und den thermoelektrischen Modulen eingebaut ist, kann das Wärmeübertagungsnetz den Kontaktbereich zwischen dem Abgas und den thermoelektrischen Modulen vergrößern, und darum wird Wärmeenergie des Abgases effizienter zu den thermoelektrischen Modulen geleitet bzw. gefördert, und das Geräusch von dem durch die thermoelektrischen Module strömenden Abgas wird auch reduziert.
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Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung hat andere Eigenschaften und Vorzüge, welche anhand der beigefügten Zeichnungen ersichtlich sind, bzw. genauer erläutert werden. Zusammen mit der detaillierten Beschreibung dienen sie der Erläuterung bestimmter Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen thermoelektrischen Generators eines Fahrzeugs.
- 2 ist eine Perspektivansicht eines thermoelektrischen Generators eines Fahrzeugs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine erste Wärmeübertragungsplatte, eine zweite Wärmeübertragungsplatte und thermoelektrische Module eines thermoelektrischen Generators eines Fahrzeugs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
- 4 ist eine Perspektivansicht eines thermoelektrischen Generators eines Fahrzeugs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche eine erste Wärmeübertragungsplatte, eine zweite Wärmeübertragungsplatte und thermoelektrische Module darstellt, welche am Abgasrohr eingebaut sind.
- 5 ist ein Konzeptionsdiagramm, welches den Einbau von Blenden erklärt, welche gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in dem Niedertemperaturbauteil eines thermoelektrischen Generators verwendet werden.
- 6 ist eine Querschnittsansicht von 2 entlang der Linie A-A'.
- 7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Abschnitts ‚C‘ aus 6.
- 8 ist eine Querschnittsansicht von 2 entlang der Linie B-B'.
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Es ist zu verstehen, dass die beigefügten Zeichnungen nicht zwangsläufig maßstabsgerecht sind, und dass sie eine etwas vereinfachte Darstellung der Eigenschaften bilden, die die Grundprinzipien der Erfindung veranschaulichen. Spezifische Gestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie z.B. spezifische Abmessungen, Ausrichtungen, Positionierungen und Formen, werden teilweise auch durch die geplante Nutzung und Anwendungsumgebung bestimmt.
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In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen durchgängig gleiche oder ähnliche Teile der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es wird nun detailliert Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Beispiele werden durch die beigefügten Zeichnungen und den Text unten erläutert. Auch wenn die Erfindung im Zusammenhang mit beispielhaften Ausführungen erläutert wird, wird damit in keiner Weise die Erfindung auf die Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Sondern die Erfindung soll abgesehen von den als Beispiel angeführten Ausführungsformen auch andere Ausführungsformen abdecken, insofern innerhalb des von den Ansprüchen definierten Schutzumfangs liegend.
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Hierin wird im Folgenden eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Vor dem Fortfahren sollte angemerkt werden, dass die in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen verwendeten Begriffe und Wörter nicht ausschließlich im Sinne der allgemeinen oder Wörterbuchbedeutungen interpretiert werden dürfen, und sie sollten als die Bedeutungen und das Konzept interpretiert werden, welches den technologischen Ideen der vorliegenden Erfindung entspricht, basierend auf dem Prinzip, dass der Erfinder das Konzept der Begriffe genau definieren kann, um seine Erfindung in der bestmöglichen Weise zu erläutern. Darum sind die in den beispielhaften Ausführungsformen und den Zeichnungen dieser Beschreibung beschriebenen Zusammenstellungen lediglich die bevorzugten Arten von Ausführungen, und sie stellen nicht die Gesamtheit der technologischen Ideen der vorliegenden Erfindung dar, und folglich ist zu verstehen, dass es eine Vielfalt von Entsprechungen und Abwandlungen geben kann, welche diese Ausführungsformen zum Zeitpunkt der Einreichung dieser Anmeldung ersetzen können.
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2 ist eine Perspektivansicht eines thermoelektrischen Generators eines Fahrzeugs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine erste Wärmeübertragungsplatte, eine zweite Wärmeübertragungsplatte und thermoelektrische Module eines thermoelektrischen Generators eines Fahrzeugs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 4 ist eine Perspektivansicht eines thermoelektrischen Generators eines Fahrzeugs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche eine erste Wärmeübertragungsplatte, eine zweite Wärmeübertragungsplatte und thermoelektrische Module darstellt, welche am Abgasrohr eingebaut sind. 5 ist ein Konzeptionsdiagramm, welches den Einbau von Blenden erklärt, welche gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in dem Niedertemperaturbauteil eines thermoelektrischen Generators verwendet werden. 6 ist eine Querschnittsansicht von 2 entlang der Linie A-A'. 7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Abschnitts ‚C‘ aus 6. 8 ist eine Querschnittsansicht von 2 entlang der Linie B-B'.
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Wie dargestellt weist ein thermoelektrischer Generator 100 eines Fahrzeugs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Hochtemperaturbauteil 110 auf, welches während des Wärmeaustauschs mit dem vom Motor abgegebenen Hochtemperaturabgas aufgeheizt wird, sowie ein Niedertemperaturbauteil 120, welches außerhalb, z.B. radial außerhalb, des Hochtemperaturbauteils 110 eingebaut ist, und durch welches das Kühlmittel hindurchtritt, welches durch das Kühlsystem des Motors zirkuliert wird, und thermoelektrische Module 130, welche zwischen dem Hochtemperaturbauteil 110 und Niedertemperaturbauteil 120 liegen und Elektrizität erzeugen, indem sie die Temperaturlücke zwischen dem Hochtemperaturbauteil 110 und dem Niedertemperaturbauteil 120 nutzen.
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Das Hochtemperaturbauteil 110 weist ein Abgasrohr 112 auf, welches aufgeheizt wird, während das Hochtemperaturabgas durch es hindurchtritt, eine erste Wärmeübertragungsplatte 119, welche an der Außenwand des Abgasrohrs eingebaut ist, und eine Mehrzahl von ersten Wärmetauschblättern 117, welche als ein Körper bzw. einstückig (kurz: einstückig) mit der ersten Wärmeübertragungsplatte 119 ausgebildet und radial in einem bestimmten bzw. festen bzw. festgelegten (kurz: bestimmten) Winkel angeordnet sind.
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Das Abgasrohr 112 hat die Form eines hohlen Zylinders und wird durch das Hochtemperaturabgas, das durch es hindurchtritt, aufgeheizt. Das Abgasrohr 112, welches aufgeheizt wird, heizt die erste Wärmeübertragungsplatte 119 auf, welche an seiner Außenwand eingebaut ist, und die Mehrzahl von ersten Wärmetauschblättern 117, welche einstückig mit der Wärmeübertragungsplatte 119 ausgebildet sind, werden durch die Wärmeübertragungsplatte 119 aufgeheizt.
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Innerhalb des Abgasrohrs 112 ist ein Bypassrohr 114 eingebaut, durch welches das Abgas vorbeiströmt bzw. vorbeigeleitet wird. An dem Ende des Bypassrohrs 114 ist ein Bypassventil 116 eingebaut, welches das Ende des Bypassrohrs 114 öffnet und schließt, so dass das Abgas an ihm abhängig von der Motorlast vorbeiströmen kann. Das Bypassventil 116 ist elastisch mittels einer Feder 118 von dem Bypassrohr 114 gestützt bzw. gehalten bzw. getragen. Am oberen bzw. stromaufwärts gelegenen Flusspfad des Bypassrohrs 114 ist eine Mehrzahl von Abgaslöchern 113 ausgebildet, durch welches das Abgas hindurchströmt, wenn das Bypassventil 116 geschlossen ist.
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Ein Wärmeübertragungsnetz bzw. -gitter 111 liegt zwischen der Außenwand des Bypassrohrs 114 und der Innenwand des Abgasrohrs 112. Das Wärmeübertragungsnetz 111 tauscht Wärme mit dem Hochtemperaturabgas aus und absorbiert Wärmeenergie von dem Abgas bzw. nimmt Wärmeenergie von dem Abgas auf und fördert bzw. befördert bzw. transportiert bzw. leitet sie zu dem Abgasrohr 112. Anders ausgedrückt wird Wärmeenergie des Abgases durch das Wärmeübertragungsnetz 111 effizient zu dem Abgasrohr 112 gefördert bzw. geleitet.
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Wenn ein Fahrzeug sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, d.h. wenn die Motorlast ansteigt, kann das Abgasrohr reißen. Um dies zu verhindern, wird das Bypassventil 116 geöffnet, wenn die Motorlast hoch ist, und das meiste von dem Hochtemperaturabgas wird durch das Bypassrohr 114 abgegeben, und die Menge des zwischen dem Bypassrohr 114 und dem Abgasrohr hindurchtretenden bzw. entlangströmenden Abgases wird gesteuert bzw. geregelt.
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Außerhalb des Hochtemperaturbauteils 110, d.h. außerhalb des Abgasrohrs 112, ist das Niedertemperaturbauteil 120 eingebaut. Das Niedertemperaturbauteil 120 kann einstückig mit einem außerhalb des Abgasrohrs 112 eingebauten Innengehäuse 122 ausgebildet sein, wobei ein Außengehäuse 124 zusammen mit dem Innengehäuse 122 einen Kühlmittelflusspfad ausbildet, eine ringförmige zweite Wärmeübertragungsplatte 129 derart eingebaut ist, dass sie in Kontakt mit der Innenwand des Innengehäuses 122 ist, und eine Mehrzahl von einstückig mit der zweiten Wärmeübertragungsplatte 129 an der Innenwand der zweiten Wärmeübertragungsplatte 129 ausgebildeten zweiten Wärmetauschblättern 127 unter einem bestimmten Winkel angeordnet sind.
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Das Innengehäuse 122 und das Außengehäuse 124 bilden konzentrische Kreise bzw. Hohlzylinder mit dem Abgasrohr 112. Das Außengehäuse 124 weist einen Kühlmitteleinlass 121 auf, der auf seiner einen Seite angeordnet ist, und in welchen das Kühlmittel hinein fließt, sowie einen Kühlmittelauslass 123, welcher auf einer anderen Seite angeordnet ist, und durch welchen das Kühlmittel herausfließt.
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Das das Innengehäuse 122 und das Außengehäuse 124 aufweisende Niedertemperaturbauteil 120 weist darüber hinaus eine Mehrzahl von Kühlmittelblenden 126 auf, deren jeweilige eine Seite geöffnet ist, wobei diese geöffneten Seiten unter einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind.
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Jede der vielen Kühlmittelblenden 126 hat die Form eines Rings, und ein Teil jeder Kühlmittelblende 126 ist geöffnet. Der geöffnete Abschnitt einer Kühlmittelblende 126 und der geöffnete Abschnitt einer benachbarten Kühlmittelblende sind so angeordnet, dass sie einen bestimmten Winkel bilden, vorzugsweise einen 90°-Winkel. Da die Mehrzahl von Kühlmittelblenden 126 so eingebaut sind, wie sie eingebaut sind, kann Kühlmittel in der Richtung fließen, die der durch die benachbarte Blende 126 ausgebildeten Flussrichtung entgegengesetzt ist, wie in 2 dargestellt. Der Grund dafür, dass die Richtungen des Kühlmittels so eingerichtet sind, dass sie einander entgegengesetzt sind, ist, die Temperatur eines Niedertemperaturbauteils 120 konstant zu halten. Ferner ist der Kühlmitteleinlass 121 am unteren Flusspfad des Abgasrohrs 112 ausgebildet, und der Kühlmittelauslass 123 ist am oberen Flusspfad das Abgasrohrs 112 ausgebildet. Anders ausgedrückt ist die Richtung, in die das Kühlmittel fließt, derjenigen Richtung entgegengesetzt, in die das Abgas fließt, und demzufolge ist es möglich, die Temperatur des Hochtemperaturbauteils 110 und die Temperatur des Niedertemperaturbauteils 120 konstant zu halten, was es ermöglicht, in den thermoelektrischen Modulen 130 gleichmäßig Strom bzw. Elektrizität zu erzeugen.
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Die thermoelektrischen Module 130 sind ausgebildet, indem ein p-Halbleiter und ein n-Halbleiter verbunden bzw. aneinandergefügt werden, und sie liegen radial zwischen der Mehrzahl von ersten Wärmetauschblättern 117 des Hochtemperaturbauteils 110 und der Mehrzahl von zweiten Wärmetauschblättern 127 des Niedertemperaturbauteils 120. Wie oben erläutert, werden die ersten Wärmetauschblätter 117 durch die ersten Wärmeübertragungsplatten 119 so geheizt, dass sie eine hohe Temperatur erreichen, und die zweiten Wärmetauschblätter 127 erreichen mittels der zweiten Wärmeübertragungsplatte 129 eine niedrige Temperatur, so dass eine Temperaturlücke zwischen den beiden Seiten der thermoelektrischen Module, die zwischen den ersten Wärmetauschblättern 117 und den zweiten Wärmetauschblättern 127 liegen, auftritt. Wenn also die Temperaturlücke an bzw. zwischen den beiden Seiten der thermoelektrischen Module 130 auftritt, wird Elektrizität innerhalb der Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen 130 erzeugt.
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Jedes der Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen 130 ist mit einem Paar von elektrischen Anschlüssen versehen, und die thermoelektrischen Module 130 sind miteinander elektrisch verbunden. Ferner ist die Mehrzahl miteinander elektrisch verbundener thermoelektrischer Module elektrisch mit einer nicht dargestellten Fahrzeugbatterie verbunden und lädt die Batterie auf, indem die durch das thermoelektrische Phänomen erzeugte Elektrizität genutzt wird.
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Anwendungen eines thermoelektrischen Generators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind unten erläutert.
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Wenn ein Motor betrieben wird, wird das Abgas von dem Motor abgegeben und strömt in das Abgasrohr 112, und in diesem Moment schließt bzw. verschließt das Bypassventil 116 das Bypassrohr 114. Darüber hinaus fließt Kühlmittel, welches durch das nicht dargestellt Motorkühlsystem zirkuliert wird, in den Kühlmitteleinlass 121 hinein.
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Das Abgas strömt innerhalb des Abgasrohrs 112 und tauscht die Wärme mit dem Abgasrohr 112 aus, welches bei diesem Vorgang aufgeheizt wird. Die erste Wärmeübertragungsplatte 119, welche an der Außenwand des Abgasrohrs 112 eingebaut ist, wird durch das aufgeheizte Abgasrohr 112 erhitzt, und Wärmeenergie des Abgases wird an die Mehrzahl erster Wärmetauschblätter 117 mittels der ersten Wärmeübertragungsplatte 119 geleitet bzw. diesen zugeführt, so dass eine Seite der Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen 130 geheizt wird.
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Indes fließt das in den Kühlmitteleinlass 121 hineinfließende Kühlmittel durch die von den Blenden 126 angrenzend an die Innenseite des inneren bzw. des äußeren Gehäuses 122, 124 ausgebildeten Kühlmittelflusspfade, und wenn das Kühlmittel durch die Kühlmittelflusspfade fließt, fließt es derart, dass es die Richtung, in die es fließt, wechselt, bzw. zwischen zwei Richtungen, in die es fließt, abwechselt, und zwar insbesondere so, dass es abwechselnd im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn strömt. Die zweite Wärmeübertragungsplatte 129 wird durch den Kühlmittelfluss gekühlt, und demzufolge werden die zweiten Wärmetauschblätter 127, die einstückig mit der zweiten Wärmeübertragungsplatte 129 ausgebildet sind, heruntergekühlt. Die andere Seite der Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen 130 ist im Kontakt mit der heruntergekühlten Mehrzahl von zweiten Wärmetauschblättern 127, und wird ebenfalls heruntergekühlt.
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Folglich tritt eine Temperaturlücke zwischen den Seiten der Mehrzahl von radial angeordneten thermoelektrischen Modulen 130 auf. Durch die Temperaturlücke wird Elektrizität innerhalb der Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen 130 erzeugt. Elektrizität, welche durch die Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen 130 erzeugt wird, lädt die elektrisch mit der Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen 130 verbundene Batterie auf.
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Wenn die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs ansteigt, d.h. wenn seine Motorlast ansteigt, überwindet das Bypassventil 116 die Elastizität der Feder 118 und öffnet das Bypassrohr 114. Wenn das Bypassrohr 114 geöffnet wird, wird das Meiste von dem Abgas durch das Bypassrohr 114 abgegeben, und der Rest strömt zwischen dem Bypassrohr 114 und dem Abgasrohr 112. Das zwischen dem Bypassrohr 114 und dem Abgasrohr 112 liegende Wärmeübertragungsnetz 111 tauscht Wärme mit dem Abgas aus und heizt das Abgasrohr 112 auf, und der danach verbleibende Vorgang ist mit dem Vorgang identisch, wenn das Bypassventil geschlossen ist, so dass auf eine weitere Erklärung verzichtet wird.
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Da eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen verwendet werden kann, können folglich große Mengen von Elektrizität erzeugt werden, und unter Ausnutzung dieser Elektrizität kann die Batterie eines Fahrzeugs aufgeladen werden, und die Treibstoffeffizienz des Fahrzeugs wird erhöht.
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Darüber hinaus wird gemäß einem thermoelektrischen Generator eines Fahrzeugs einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Geräusch des Abgases vermindert, während das Abgas Wärme mit dem Wärmetauschnetz austauscht, und die thermoelektrische Effizienz ist erhöht, da die Kontaktfläche zwischen einem Hochtemperaturbauteil und einem thermoelektrischen Modul groß ist und die andere Seite der Mehrzahl von thermoelektrischen Bauteilen durch ein Niedertemperaturbauteil schnell heruntergekühlt wird. Dadurch kann ein thermoelektrischer Generator eines Fahrzeugs, der kleiner ist als einer gemäß dem Stand der Technik, umgesetzt werden.
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Um die Erklärung zu vereinfachen und eine genaue Definition in den beigefügten Ansprüchen zu ermöglichen, werden die Begriffe „höher“, „niedriger“, „innen“, „außen“ etc. verwendet, um Elemente der beispielhaften Ausführung zu bezeichnen mit Bezug auf die Positionierung dieser Elemente wie in den Zeichnungen dargestellt.
