DE102012211466A1

DE102012211466A1 - Thermoelektrischer Generator für ein Fahrzeug und Wärmespeichervorrichtung für einen thermoelektrischen Generator eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102012211466A1
Application number: DE102012211466.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Koehne
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-09
Also published as: FR2993115A1; ITMI20131069A1; US20140007915A1; FR2993115B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Thermoelektrischer Generator (10) für ein Fahrzeug mit einem Generatorgehäuse (12), welches in einem Abgasstrang (14) des Fahrzeugs und/oder in einem Bypass zu dem Abgasstrang (14) anordbar ist, mindestens einem der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche (16) zugeordneten thermoelektrischen Modul (26), wobei Wärmeenergie von der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche (16) über zumindest einen Wärmeleitpfad auf das mindestens eine thermoelektrische Modul (26) übertragbar ist, und mindestens einer mit mindestens einem Wärmespeichermaterial gefüllten Wärmespeicherkammer (30), wobei der mindestens einen Wärmespeicherkammer (30) mindestens eine zweite Abgas-Kontaktfläche (32) des thermoelektrischen Generators (10) zugeordnet ist, wobei Wärmeenergie von der mindestens einen zweiten Abgas-Kontaktfläche (32) auf die mindestens eine Wärmespeicherkammer (30) übertragbar ist, und wobei die mindestens eine Wärmespeicherkammer (30) außerhalb des zumindest einen Wärmeleitpfads von der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche (16) zu dem mindestens einen thermoelektrischen Modul (26) angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Wärmespeichervorrichtung für einen thermoelektrischen Generator eines Fahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator für ein Fahrzeug. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Wärmespeichervorrichtung für einen thermoelektrischen Generator eines Fahrzeugs.
Stand der Technik
In der DE 10 2006 040 853 B3 ist eine Einrichtung der Thermoelektrik mit einem thermoelektrischen Generator und Mitteln zur Temperaturbegrenzung an dem Generator beschrieben. In dem Gehäuse der thermoelektrischen Einrichtung ist ein thermoelektrischer Generator ausgebildet, welcher auf seiner ersten Seite mit einer Wärmequelle und auf seiner der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite mit einer Wärmesenke thermisch verbunden ist. Zwischen der Wärmequelle und dem thermoelektrischen Generator ist eine Wärmespeicherkammer ausgebildet, welche mit einem schmelzbaren Arbeitsmedium gefüllt ist. Steigt die Temperatur der Wärmequelle über die Schmelztemperatur des Arbeitsmediums, so wird dieses zumindest teilweise aufgeschmolzen, wodurch eine Überhitzung des thermoelektrischen Generators verhinderbar sein soll. Sinkt im Folgenden die Temperatur der Wärmequelle unter die Schmelztemperatur des Arbeitsmediums, so wird die von dem erstarrenden Arbeitsmedium freigesetzte Wärmeenergie zumindest teilweise an den thermoelektrischen Generator abgegeben. Auf diese Weise soll ein konstantes Temperaturgefälle über den thermoelektrischen Generator aufrechterhaltbar sein.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft einen thermoelektrischen Generator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Wärmespeichervorrichtung für einen thermoelektrischen Generator eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Ausstattung eines thermoelektrischen Generators mit mindestens einer Wärmespeicherkammer, wobei die Wärmeenergie mindestens eines Abgases von mindestens einer ersten Abgas-Kontaktfläche über mindestens einen Wärmeleitpfad unter Umgehung der mindestens einen Wärmespeicherkammer an das mindestens eine thermoelektrische Modul des thermoelektrischen Generators leitbar ist. Man kann dies auch so umschreiben, dass die von dem mindestens einen Abgas abgegebene Wärmeenergie gezielt nicht über die mindestens eine Wärmespeicherkammer zu dem mindestens einen thermoelektrischen Modul weitergeleitet wird. Dieses Weiterleiten der Wärmeenergie des mindestens einen Abgases unter Umgehung der mindestens einen Wärmespeicherkammer gewährleistet einen verbesserten thermischen Widerstand des thermoelektrischen Generators.
Das herkömmliche Weiterleiten der von dem mindestens einen Abgas abgegebenen Wärmeenergie über die mindestens eine Wärmespeicherkammer führt zu einem thermischen Gesamtwiderstand, welcher sich aus der Summe der thermischen Widerstände sowohl des mindestens einen thermoelektrischen Moduls als auch der mindestens einen Wärmespeicherkammer ergibt. Demgegenüber ist mittels der vorliegenden Erfindung ein reduzierter thermischer Widerstand gegenüber dem Stand der Technik realisierbar.
Vorteilhafterweise liegt mindestens ein Zwischenvolumen zwischen jeweils der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche und dem mindestens einen zugeordneten thermoelektrischen Modul, wobei die mindestens eine Wärmespeicherkammer außerhalb des mindestens einen Zwischenvolumens angeordnet ist. Dies gewährleistet ein verlässliches Weiterleiten der an der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche von dem mindestens einen Abgas freigegebenen Wärmeenergie an das mindestens eine thermoelektrische Modul unter Umgehung der mindestens einen Wärmespeicherkammer. Auf diese Weise ist ein vorteilhafter reduzierter thermischer Widerstand bei der Umwandlung der von dem mindestens einen Abgas freigesetzten Wärmeenergie in elektrische Energie gewährleistet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist Wärmeenergie über mindestens einen ausgebildeten oder ausbildbaren Wärmeübertragungskontakt des thermoelektrischen Generators von der mindestens einen Wärmespeicherkammer auf das mindestens eine zugeordnete thermoelektrische Modul übertragbar. Da der Wärmeübertragungskontakt als Wärmeübergang zwischen zwei Feststoffen eine höhere Effizienz als ein Wärmeübergang zwischen einem Feststoff und einem Gas besitzt, ist somit die in der mindestens einen Wärmespeicherkammer zwischengespeicherte Wärmeenergie effizienter an das mindestens eine zugeordnete thermoelektrische Modul ausgebbar. Auf diese Weise ist die mittels des thermoelektrischen Generators aus dem mindestens einen erhitzen Abgas gewinnbare elektrische Energie steigerbar.
Insbesondere kann der mindestens eine Wärmeübertragungskontakt mittels mindestens einer schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung des thermoelektrischen Generators ausbildbar sein, welche aus einem nicht-wärmeleitenden Zustand in einen wärmeleitenden Zustand überführbar ist. Somit kann die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung gezielt dann eingeschaltet werden, wenn die mindestens eine Wärmespeicherkammer energetisch aufgeladen ist. Gleichzeitig ist durch ein Überführen der mindestens einen schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung in den nicht-wärmeleitenden Zustand ein unvorteilhaftes Entladen der mindestens einen Wärmespeicherkammer verhinderbar.
Bevorzugter Weise geht die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung des thermoelektrischen Generators bei einer Temperatur über der Schalttemperatur aus dem nicht-wärmeleitenden Zustand in den wärmeleitenden Zustand über, und bei einer Temperatur unter der Schalttemperatur aus dem wärmeleitenden Zustand in den nicht-wärmeleitenden Zustand über. Durch die auf diese Weise realisierbare Steuerung der mindestens einen schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung sind die in dem vorausgehenden Absatz beschriebenen Vorteile verlässlich gewährleistbar. Insbesondere kann die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung so ausgelegt sein, dass sie den Übergang aus dem nicht-wärmeleitenden Zustand in den wärmeleitenden Zustand bei der Temperatur über der Schalttemperatur automatisch ausführt, während die schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung automatisch aufgrund ihrer Ausbildung bei der Temperatur unter der Schalttemperatur aus dem wärmeleitenden Zustand in den nicht-wärmeleitenden Zustand übergeht. Somit entfällt die Notwendigkeit einer Ausstattung des thermoelektrischen Generators mit einer Steuerung zum Schalten der mindestens einen schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung.
Beispielsweise kann die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung des thermoelektrischen Generators bei der Temperatur über der Schalttemperatur so expandieren, dass der mindestens eine Wärmeübertragungskontakt zwischen der mindestens einen Wärmespeicherkammer und dem mindestens einen zugeordneten thermoelektrischen Modul oder einem das mindestens eine zugeordnete thermoelektrische Modul kontaktierenden mindestens einen Wärmeleitmaterial geschlossen wird, wobei die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung des thermoelektrischen Generators bei der Temperatur unter der Schalttemperatur sich so kontrahiert, dass der Wärmeübertragungskontakt aufgrund eines Luftspalts unterbrochen wird. Wie unten genauer ausgeführt ist, kann eine derartige vorteilhafte Ausbildung der mindestens einen schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung mittels einfacher Herstellungsverfahrensschritte kostengünstig ausgebildet werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung geformt. In diesem Fall kann zumindest eine Teilkomponente der mindestens einen schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung bei einer Schalttemperatur, die gleich der zugehörigen Formgedächtnistemperatur ist, automatisch so expandieren, dass ein zuvor vorliegender Spalt geschlossen wird.
Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung als eine äußere Hülle der mindestens einen Wärmespeicherkammer, welcher mit mindestens einem latenten Wärmespeichermaterial und/oder mit mindestens einem thermochemischen Wärmespeichermaterial als dem mindestens einen Wärmespeichermaterial gefüllt ist, so geformt sein, dass eine Phasenumwandlung des mindestens einen latenten Wärmespeichermaterials bei der Schalttemperatur und/oder eine reversible chemische Reaktion des mindestens einen thermochemischen Wärmespeichermaterials bei der Schalttemperatur eine Formänderung der äußeren Hülle der mindestens einen Wärmespeicherkammer bewirkt. Auch durch die Formänderung kann ein zuvor vorliegender Spalt so geschlossen werden, dass der gewünschte Wärmeübertragungskontakt zum Übertragen der Wärmeenergie auf das mindestens eine thermoelektrische Modul vorliegt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung mit einem eine Ruß-Abbrandtemperatur reduzierenden Katalysator beschichtet. Auf diese Weise ist eine Rußablagerung an der schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung verhinderbar. Somit ist auch bei einem längeren Betrieb des thermoelektrischen Generators trotz einer Aussetzung des thermoelektrischen Generators an rußreiche Abgase ein verlässlicher Betrieb von diesem noch gewährleistet.
Die in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile sind auch mittels einer entsprechenden Wärmespeichervorrichtung gewährleistbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des thermoelektrischen Generators;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des thermoelektrischen Generators;
3a bis 3d schematische Teildarstellungen zum Erläutern einer Funktionsweise einer dritten Ausführungsform des thermoelektrischen Generators; und
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des thermoelektrischen Generators.
Der in 1 schematisch dargestellte thermoelektrische Generator 10 hat ein Generatorgehäuse 12, welches in einem Abgasstrang 14 eines Fahrzeugs und/oder in einem Bypass zu dem Abgasstrang 14 anordbar ist. Das Generatorgehäuse 12 ist so in dem Abgasstrang 14 und/oder in dem Bypass anordbar, dass mindestens eine erste Abgas-Kontaktfläche 16 des thermoelektrischen Generators 10 für eine Kontaktierung durch mindestens ein Abgas 18 freiliegt. Beispielsweise kann mindestens ein Abgaskanal 20 durch den thermoelektrischen Generator 10 verlaufen, durch welchen das mindestens eine Abgas 18 nach einer Anordnung des thermoelektrischen Generators 10 in dem Abgasstrang 14 leitbar ist. Außerdem kann der thermoelektrische Generator 10 zur Vergrößerung seiner Wärmeaustauschfläche mit einer Rippenstruktur ausgebildet sein. Der hier beschriebene thermoelektrische Generator 10 ist jedoch nicht auf eine bestimmte Form limitiert.
Der in 1 dargestellte thermoelektrische Generator 10 ist (schematisch) in eine Wärmewandler-Untereinheit 22 und in eine Wärmespeicher-Untereinheit 24 unterteilbar. Bevorzugter Weise ist der thermoelektrische Generator 10 so in dem Abgasstrang 14 anordbar, dass die Wärmespeicher-Untereinheit 24 der Wärmewandler-Untereinheit 22 vorgeschaltet ist. Darunter kann verstanden werden, dass die Wärmespeicher-Untereinheit 24 nach einem Anordnen des Generatorgehäuses 12 in dem Abgasstrang 14 und/oder in dem Bypass so zu der Wärmewandler-Untereinheit 22 angeordnet ist, dass das mindestens eine Abgas 18 zuerst an der Wärmespeicher-Untereinheit 24 vorbeigeführt wird und erst nach einem Passieren der Wärmespeicher-Untereinheit 24 die mindestens eine erste Abgas-Kontaktfläche 16 der Wärmewandler-Untereinheit 22 kontaktiert. Auf den Aufbau der Untereinheiten 22 und 24 wird nachfolgend genauer eingegangen.
Die Wärmewandler-Untereinheit 22 umfasst mindestens ein der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche 16 zugeordnetes thermoelektrisches Modul 26, wobei eine von dem mindestens einen Abgas 18 abgegebene Wärmeenergie von der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche 16 über zumindest einen Wärmeleitpfad auf das mindestens eine thermoelektrische Modul 26 übertragbar ist. Unter dem mindestens einen thermoelektrischen Modul 26 kann eine Wandlereinrichtung verstanden werden, die einen Wärmestrom direkt in eine elektrische Leistung umwandelt. Bevorzugter Weise nutzt das mindestens eine thermoelektrische Modul 26 dazu den Seebeck-Effekt, welcher bewirkt, dass ein Temperaturgradient in einem thermoelektrischen Material eine Thermodiffusion von Ladungsträgern erzeugt. Auf diese Weise kann ein elektrischer Potentialunterschied zwischen einer sogenannten heißen Seite 26a des thermoelektrischen Moduls 26 und einer sogenannten kalten Seite 26b des thermoelektrischen Moduls 26 entstehen, welcher als elektrische Spannung abgreifbar ist. Unter der sogenannten heißen Seite 26a des thermoelektrischen Moduls 26 kann eine zu der ersten Abgas-Kontaktfläche 16 ausgerichtete Seite des thermoelektrischen Moduls 26 verstanden werden. Entsprechend ist die sogenannte kalte Seite 26b des thermoelektrischen Moduls 26 als eine von der heißen Seite 26a weggerichtete Seite des thermoelektrischen Moduls 26 umschreibbar.
Der Wärmeleitpfad von der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche 16 zu dem mindestens einen zugeordneten thermoelektrischen Modul 26 kann über mindestens ein Wärmeleitmaterial 28 verlaufen. Beispielsweise kann mindestens ein Zwischenvolumen, welches jeweils von einer ersten Abgas-Kontaktfläche 16 und von der heißen Seite 26a des mindestens einen zugeordneten thermoelektrischen Moduls 16 begrenzt ist, zumindest teilweise mit dem mindestens einen Wärmeleitmaterial 28 gefüllt sein. Bevorzugter Weise ist das mindestens eine Zwischenvolumen vollständig mit dem mindestens einen Wärmeleitmaterial 28 gefüllt. Dies gewährleistet eine verlässliche Übertragung der von dem mindestens einen Abgas 18 an der ersten Abgas-Kontaktfläche 26 freigegebenen Wärmeenergie auf das mindestens eine zugeordnete thermoelektrische Modul 26 zur Gewährleistung einer hohen Ausbeute an elektrischer Energie.
Die Wärmespeicher-Untereinheit 24 weist mindestens eine mit mindestens einem Wärmespeichermaterial zumindest teilweise gefüllte Wärmespeicherkammer 30 auf. Das mindestens eine Wärmespeichermaterial kann insbesondere mindestens ein latentes Wärmespeichermaterial und/oder mindestens einen thermochemisches Wärmespeichermaterial sein. Der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 ist mindestens eine zweite Abgas-Kontaktfläche 32 des thermoelektrischen Generators 10 zugeordnet, welche für eine Kontaktierung durch das mindestens eine Abgas 18 freiliegt, wobei freigegebene Wärmeenergie von der mindestens einen zweiten Abgas-Kontaktfläche 32 auf die mindestens eine zugeordnete Wärmespeicherkammer 30 übertragbar ist. Außerdem ist die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 außerhalb des mindestens einen Wärmeleitpfads angeordnet. Dies ist auch damit umschreibbar, dass eine von der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche 16 zu dem mindestens einen thermoelektrischen Modul 26 übertragene Wärmeenergie nicht über die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 übertragen wird. Insbesondere kann die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 außerhalb des mindestens einen Zwischenvolumens liegen, welches jeweils von der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche 16 und von der heißen Seite 26a des mindestens einen zugeordneten thermoelektrischen Moduls 26, von dem zugeordneten thermoelektrischen Moduls 26, begrenzt ist.
Auf diese Weise ist gewährleistbar, dass die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 einen thermischen Widerstand bei der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie nicht beeinflusst. Damit ist ein gegenüber dem Stand der Technik reduzierter thermischer Widerstand realisierbar. Während sich herkömmlicherweise ein thermischer Widerstand bei einer Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie als Summe aus dem thermischen Widerstand des mindestens einen thermoelektrischen Moduls 26 und der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 ergibt, ist bei dem vorteilhaften thermoelektrischen Generator 10 der 1 der relevante thermische Widerstand (nahezu) gleich dem thermischen Widerstand des mindestens einen thermoelektrischen Moduls 26. Damit ist bei dem thermoelektrischen Generator 10 im Vergleich zu einem herkömmlichen Generator eine verbesserte Ausbeute 10 an gewonnener elektrischer Energie realisiert.
Der thermoelektrische Generator 10 der 1 trägt durch die Umwandlung der Abwärme des Abgases 18 in elektrische Energie zur Reduzierung des Energieverbrauchs und der Schadstoffemission eines damit ausgestatteten Fahrzeugs bei. Die Vorteile eine größeren Temperaturgradienten zwischen den Seiten 26a und 26b eines thermoelektrischen Moduls 26 liegen gemäß Gleichung (Gl. 1) in einer höheren Effizienz:
wobei η_max ein maximaler Materialwirkungsgrad, T_H, die Temperatur an der heißen Seite 26a, T_C die Temperatur an der kalten Seite 26b und ZT ein integraler Mittelwert des Temperaturgradienten zwischen den Seiten 26a und 26b sind. Der linke Bruch aus der Gleichung (Gl. 1) gibt den Carnot-Wirkungsgrad η_Carnot an.
Es wird hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der thermoelektrische Generator 10 trotz seines vergleichsweise geringen thermischen Widerstands auch bei einer hohen Abgastemperatur noch genutzt werden kann, ohne dass eine Beschädigung des mindestens einen thermoelektrischen Moduls 26 zu befürchten ist. Die vorteilhaft angeordnete mindestens eine Wärmespeicherkammer 30, deren mindestens eine zweite Abgas-Kontaktfläche 32 vorzugsweise von dem mindestens einen Abgas 18 vor der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche 16 kontaktiert wird, kann auch bei hohen/energiereichen Abgasvolumenströmen, wie z. B. während einer Autobahnfahrt, eine Überhitzung des mindestens einen thermoelektrischen Moduls 26 noch verhindern. Insbesondere kann der thermoelektrische Generator 10 deshalb für eine maximale Effizienz während einer Fahrt mit einer vergleichsweise niedrigen Durchschnittsgeschwindigkeit (d. h. für einen mittleren Abgasvolumenstrom) ausgelegt werden, wodurch bereits bei einer Fahrt im Stadtverkehr eine vorteilhafte Effizienz zur Rückgewinnung von Energie gewährleistet ist und gleichzeitig eine Überhitzung des mindestens einen thermoelektrischen Moduls 26 während einer Autobahnfahrt verhindert wird.
Aufgrund des vorteilhaften Zusammenwirkens des thermoelektrischen Generators 10 mit mindestens einer Wärmespeicherkammer 30 kann das thermoelektrische Modul 26 auch für einen vorteilhaften thermischen Widerstand des Wärmeleitpfads zum thermoelektrischen Modul ausgelegt werden. Außerdem kann die Temperatur an der heißen Seite 26a des thermoelektrischen Moduls 26 ohne eine Reduzierung einer Gesamteffizienz des thermoelektrischen Moduls 26 begrenzt werden. Insbesondere kann Wärme ab einem Temperaturniveau, welches das thermoelektrische Modul 26 schädigen könnte, auf ein Temperaturniveau gewandelt werden, welches für das thermoelektrische Modul 26 zulässig ist.
Ein weiterer Vorteil des Zusammenwirkens der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 mit dem mindestens einen thermoelektrischen Modul 26 liegt darin, dass die maximal zulässige Heißseitentemperatur der heißen Seite 26a des thermoelektrischen Moduls 26 niedriger ausgelegt werden kann und damit die Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik erheblich reduzierbar sind. Dadurch kann auch eine Zuverlässigkeit des mindestens einen thermoelektrischen Moduls 26 erhöht werden, ohne dass dessen Leistungsausbeute reduziert wird.
Ein weiterer Vorteil des Zusammenwirkens der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 mit dem mindestens einen thermoelektrischen Modul 26 liegt darin, dass die im normalen Fahrbetrieb häufig vorzufindenden transienten Zustände außerhalb des zulässigen Temperaturbereichs des thermoelektrischen Generators abfangbar und energetisch nutzbar sind. Transiente Zustände im thermoelektrischen Generator ergeben sich z. B. durch Überholmanöver, Ampelstarts oder Steigungsstrecken, wenn aufgrund einer signifikant höheren Leistung des Fahrzeugmotors das Volumen und die Temperatur des Abgases ansteigen. Mittels der erfindungsgemäßen Technologie ist der thermoelektrische Generator 10 jedoch auch in diesen Situationen geschützt, wobei die in dem vergleichsweise heißen Abgas vorliegende Wärmeenergie vorteilhaft zur Gewinnung von elektrischer Energie nutzbar ist.
Unter dem mindestens einen latenten Wärmespeichermaterial in der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 kann mindestens ein Wärmespeichermaterial nach dem Prinzip eines latenten Wärmespeichers verstanden werden. Ein derartiges Wärmespeichermaterial führt ab einer vorgegebenen Grenztemperatur einen Phasenwechsel aus und nimmt auf diese Weise hohe Energiemengen auf. Beispielsweise kann der Phasenwechsel ein Schmelzen des mindestens einen Wärmespeichermaterials zur Aufnahme von Schmelzwärme sein, welche bei einer Temperatur unter der Grenztemperatur durch ein Erstarren des mindestens einen Wärmespeichermaterials als Erstarrungswärme wieder freisetzbar ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 mit mindestens einem latenten Wärmespeichermaterial (Phasenwechselmaterial) gefüllt, welches eine Schmelzwärme von mehr als 350 J/g und eine Schmelztemperatur unter 600°C aufweist. Bevorzugter Weise ist das mindestens eine latente Wärmespeichermaterial ein Salz, ein Salzgemisch, ein Metall und/oder eine Metalllegierung. Salze, Salzgemische, Metalle und Metalllegierungen können eine hohe Schmelzwärme bei einer geeigneten Schmelztemperatur verlässlich bieten.
Das Befüllen der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 mit einem Salz, bzw. einem Salzgemisch, bietet außerdem den Vorteil, dass eine vergleichsweise große Energiemenge als Schmelzwärme zwischenspeicherbar ist. Außerdem sind Salze, bzw. Salzgemische, kostengünstige Materialien für eine latente Wärmespeicherung. Mittels einer Ausbildung von vergleichsweise kurzen Wärmetransportwegen in dem mindestens einen Salz kann auch bei einer vergleichsweise niedrigen Wärmeleitfähigkeit des mindestens einen Salzes ein niedriger Verlust während des Wärmetransportwegs eingehalten werden. Außerdem ist auf diese Weise auch ein schnellerer Wärmetransport möglich.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das mindestens eine Salz auch in eine Struktur aus einem wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise mindestens einem Metall und/oder Graphit, eingebettet/infiltriert sein. Die Struktur aus dem mindestens einen wärmeleitfähigen Material kann beispielsweise ein Gewebe, ein offenporöses Material und/oder ein Schaum sein. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das mindestens eine Salz in einen offenporingen Metallschaum, wie beispielsweise in einem Aluminiumschaum, eingebettet/infiltriert. Somit ist trotz einer vergleichsweise niedrigen Wärmeleitfähigkeit des mindestens einen Salzes ein schneller Wärmetransport auf einfache Weise realisierbar.
Als das mindestens eine Salz, bzw. Salzgemisch, kann die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 beispielsweise KCl(54)-46ZnCl₂, KCl(61)-39MgCl₂, NaCl(48)-52MgCl₂, KCl(36)-64MgCl₂, NaCl(33)-67CaCl₂, MgCl₂(37)-63SrCl₂, Li₂CO₃(47)-53K₂CO₃, Li₂CO₃(44)-56Na₂CO₃, Li₂CO₃(28)-72K₂CO₃, K₂CO₃(51)-49Na₂CO₃, LiF(33)-67KF, NaF(67)-33MgF₂, NaBr(45)-55MgBr₂, LiF(20)-80LiH, KCl(25)-27CaCl₂-48MgCl₂, KCl(5)-29NaCl-66CaCl₂, KCl(13)-19NaCl-68SrCl₂, KCl(28)-19NaCl-53BaCl₂, KCl(24)-47BaCl₂-29CaCl₂, Li₂CO₃(32)-35K₂CO₃-Na₂CO₃,NaF(12)-59KF-29LiF, KCl(40)-23KF-37K₂CO₃, NaF(17)-21KF-62K₂CO₃, Li₂CO₃(35)-65K₂CO₃, Li₂CO₃(20)60-Na₂CO₃-20K₂CO₃ und/oder Li₂CO₃(22)-16Na₂CO₃-62K₂CO₃ aufweisen. Die Befüllung der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 ist jedoch nicht auf die hier aufgezählten Salze, bzw. Salzgemische, limitiert.
Als Alternative oder als Ergänzung zu mindestens einem Salz kann die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 auch ein Metall oder eine Metalllegierung als latentes Wärmespeichermaterial aufweisen. Ein Befüllen der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 mit einem Metall und/oder einer Metalllegierung bietet den Vorteil einer hohen Wärmeleitfähigkeit der Metallfüllung der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 und einer äußeren Umgebung der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30. Dieser Wärmetransport ist auch relativ schnell und benötigt insbesondere keine Zusatzstruktur zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise einen Metallschaum.
Als das mindestens eine Metall, bzw. die mindestens eine Metalllegierung, kann die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 beispielsweise 46,3Mg-53,7Zn, 96Zn-4Al, 34,65Mg-65,35Al, 60,8Al-33,2Cu-6,0Mg, 64,1Al-5,2Si-28,5Cu-2,2Mg, 68,5Al-5,0Si-26,5Cu, 66,92Al-33,08Cu, 83,14Al-11,7Si-5,16Mg, 87,76Al-12,24Si, 46,3Al-4,6Si-49,1Cu und/oder 86,4Al-9,4Si-4,2Sb aufweisen. Die Verwendbarkeit von Metallen/Metalllegierungen zum Befüllen der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 ist jedoch nicht auf die hier aufgezählten Ausführungsbeispiele limitiert.
Alle oben aufgezählten latenten Wärmespeichermaterialien weisen eine Schmelztemperatur auf, welche eine Wärmespeicherung bei einer vergleichsweise hohen Abgastemperatur ermöglicht. Zusätzlich weisen alle oben aufgezählten latenten Wärmespeichermaterialien eine hohe spezifische thermische Speicherkapazität und eine hohe Schmelzwärme auf, um auch bei einer vergleichsweise kleinen Abmessung der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 eine große Wärmeenergiemenge zwischenspeichern zu können. Bei einem Phasenwechsel der oben aufgezählten latenten Wärmespeichermaterialien liegt ein kongruentes (unzersetztes) Schmelzen vor. Somit tritt keine Phasenseparation beim Schmelzen oder Erstarren auf, wodurch eine stöchiometrische Zusammensetzung, bzw. eine Inhomogenität, unterbunden ist. Die jeweiligen Phasenwechsel der oben aufgezählten latenten Wärmespeichermaterialien sind zuverlässig reversibel und wiederholbar. Außerdem haben die latenten Wärmespeichermaterialien eine hohe Wärmeleitfähigkeit für möglichst geringe Temperaturgradienten beim Wärmetransport innerhalb des latenten Wärmespeichermaterials (Phasenwechselmaterials).
Ein weiterer Vorteil von vielen aufgezählten latenten Wärmespeichermaterialien ist eine vergleichsweise geringe Volumenänderung beim Phasenwechsel, was den Einsatz von kostengünstigen Außenwänden der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 ermöglicht. Außerdem weisen die genannten latenten Wärmespeichermaterialien keine ausgeprägte Neigung zur unterkühlten Schmelze auf. Aufgrund ihrer chemischen Stabilität ist auch eine hohe Lebensdauer der latenten Wärmespeichermaterialien gewährleistet. Zusätzlich zeigen die latenten Wärmespeichermaterialien keine Neigung zur chemischen Reaktion mit den in der Regel für eine Ausbildung einer äußeren Hülle der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 verwendeten Materialien. Die hier aufgezählten latenten Wärmespeichermaterialien sind weder toxisch, noch leicht inflammbar. Ihre Kosten sind vergleichsweise niedrig.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 zumindest teilweise mit AlSi12 (Aluminium mit 12 Masseprozent Silicium) befüllt. Eine derartige Befüllung gewährleistet eine vergleichsweise hohe Schmelzwärme von 560°C. Außerdem können die Vorteile einer um über 70% höheren spezifischen Wärme der Schmelze gegenüber dem Feststoff genutzt werden. Somit kann nach dem vollständigen Schmelzen des Materials mehr Energie pro Masseneinheit aufgenommen werden als im Feststoff. Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele für latente Wärmespeichermaterialien sind die Salze LiF(20)-80LiOH und NaCl(48)-52MgCl₂ und die Metalllegierungen 60,8Al-33,2Cu-6,0Mg und 87,76Al-12,24Si.
Als Alternative oder als Ergänzung zu mindestens einem latenten Wärmespeichermaterial kann die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 auch mit mindestens einem thermochemischen Wärmespeichermaterial gefüllt sein. Unter dem mindestens einen thermochemischen Wärmespeichermaterial können Materialien für eine chemische Wärmespeicherung verstanden werden, wobei mittels mindestens einer reversiblen chemischen Reaktion verbrauchte Wärmeenergie zwischengespeichert wird. Die zwischengespeicherte Wärmeenergie wird anschließend mittels mindestens einer Rückreaktion wieder freigesetzt.
Die mindestens eine chemische Reaktion kann beispielsweise eine reversible Wasserabspaltung sein. Dazu kann die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 als thermochemisches Wärmespeichermaterial das Hydrat des Kalziumchlorids (CaCl₂·2H₂O → CaCl₂·H₂O + H₂O), Kalziumhydroxid (Ca(OH)₂ → CaO + 2H₂O) und/oder Magnesiumhydroxid (Mg(OH)₂ → MgO + H₂O) umfassen.
Ebenso kann ein Metallhydrid als thermochemisches Wärmespeichermaterial benutzt werden, um über die reversible Zersetzung Wärmeenergie zwischen zu speichern. Insbesondere Magnesiumhydrid (MgH₂ → Mg + H₂) ist dazu gut geeignet.
Auch die reversible Zersetzung von Salzen kann zur Wärmespeicherung genutzt werden, beispielsweise unter Verwendung von Ammoniumsulfat (NH₄SO₄ -> NH₃ + H₂O + SO₃). Zusätzlich ist die reversiblen Zersetzung von Metallcarbonaten, wie beispielsweise Eisenkarbonat (FeCO₃ → FeO + CO₂) und/oder Kalziumcarbonat (CaCO₃ → CaO + CO₂) zur Energiespeicherung nutzbar.
Außerdem ist mittels der Verdünnung von Säuren Wärmeenergie zwischenspeicherbar, wobei insbesondere Schwefelsäure (H₂SO₄ + xH₂O → H₂SO₄verd.) einsetzbar ist. Des Weiteren kann die reversible Zersetzung von Alkoholen, insbesondere von Methanol (CH₃OH → CO + 2H₂), auch zur reversiblen Wärmespeicherung verwendet werden.
Alle hier aufgezählten Beispiele für verwendbare thermochemische Wärmespeichermaterialien weisen für die chemische Wärmespeicherung ihrer Reaktionen sehr hohe Wärmespeicherdichten auf, welche bis zu mehreren 1.000 kJ/kg betragen können. Aufgrund der großen Anzahl von nutzbaren chemischen Reaktionen kann für spezifische Wärmespeicher- und Temperaturanforderungen mindestens ein besonders gut geeignetes thermochemisches Wärmespeichermaterial ausgewählt werden.
Der hier beschriebene thermoelektrische Generator eignet sich auch für einen Einsatz in einem Fahrzeug mit einem vergleichsweise hohen Eigengewicht, wie beispielsweise einem Nutzkraftwagen (NKW). Somit können auch hohe Drücke auf das mindestens eine thermochemische Wärmespeichermaterial ausgeübt werden, was die Auswahlmöglichkeiten der nutzbaren reversiblen chemischen Reaktionen steigert. Durch die damit erreichbare relativ hohe Speicherdichte der thermischen Wärmespeicher können auch große Lastspitzen ausgeglichen werden. Somit erlaubt der Einsatz des thermoelektrischen Generators 10 eine Steigerung der Effizienz von NKW-spezifischen Verfahren zur Abwärmerückgewinnung, wie z. B. von Kreisprozessen (Organic Rankine, Dampfturbolader). Durch eine geschickte Auslegung des thermoelektrischen Generators 10, insbesondere der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30, kann der Zeitanteil, für welchen diese Kreisprozesse am Punkt der höchsten Effizienz gefahren werden, erhöht werden.
Mittels der oben aufgezählten Wärmespeichermaterialien sind sehr hohe Wärmespeicherdichten erreichbar. Außerdem können die Wärmespeichermaterialien auch für eine Wärmeabgabe bei einer vergleichsweise hohen Temperatur ausgewählt werden, was eine Effizienz der thermoelektrischen Energiegewinnung zusätzlich steigert. Es wird hier insbesondere darauf hingewiesen, dass auch eine Kombination des Prinzips des latenten Wärmespeichers und des Prinzips des chemischen Wärmespeichers für die Wärmeenergiezwischenspeicherung mittels der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 nutzbar ist.
Das mindestens eine latente Wärmespeichermaterial und/oder thermochemische Wärmespeichermaterial kann bei einer ersten Abgastemperatur, welche größer oder gleich einer spezifischen Grenztemperatur/Wärmespeichertemperatur des latenten Wärmespeichermaterials und/oder des thermochemischen Wärmespeichermaterials ist, Wärmeenergie aufnehmen und zwischenspeichern. Bei einer zweiten Abgastemperatur des mindestens einen Abgases 18, welche kleiner oder gleich der Grenztemperatur/Wärmespeichertemperatur ist, kann das mindestens eine latente Wärmespeichermaterial und/oder thermochemische Wärmespeichermaterial diese Wärmeenergie wieder abgeben.
Sofern das mindestens eine Abgas 18 eine Temperatur aufweist, welche höher als eine Grenztemperatur des mindestens einen Wärmespeichermaterials ist, kann Wärmeenergie somit über einen Phasenwechsel oder eine reversible chemische Reaktion des mindestens einen Wärmespeichermaterials aufgenommen und zwischengespeichert werden. Auf diese Weise ist gewährleistbar, dass eine Heißseitentemperatur der heißen Seite 26a des thermoelektrischen Moduls 26 auch bei relativ hohen Abgastemperaturen unterhalb der maximal zulässigen Temperatur bleibt. Die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 wandelt somit einen Wärmestrom mit einer Temperatur, welche höher als eine maximal zulässige Betriebstemperatur des thermoelektrischen Generators 10 ist, in einen Wärmestrom um, dessen Temperatur unterhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur des thermoelektrischen Generators 10 liegt. Diese Temperaturreduktion des Wärmestroms erfolgt kontinuierlich so lange das latente/thermochemische Wärmespeichermaterial noch nicht seine maximale Wärmeaufnahmefähigkeit erreicht hat. Außerdem besitzt die Temperaturreduktion keinen Einfluss auf die Wärmemenge des Wärmestroms. Sollte der Wärmestrom so hoch sein, dass mehr Wärme mit reduzierter Temperatur bereitsteht, als durch den thermoelektrischen Generator 10 fließen kann, so wird die momentan überschüssige thermische Energie vermehrt im Wärmespeichermaterial zwischengespeichert. Sinkt die Temperatur im thermoelektrischen Generator 10 unter die Temperatur der Wärmeabgabe des Wärmespeichermaterials/Grenztemperatur, so beginnt das Wärmespeichermaterial wieder vermehrt damit, Wärme in den thermoelektrischen Generator abzuführen. Der thermoelektrische Generator 10 wird so vor einer Schädigung durch zu hohe Temperaturen aus dem Abgasstrom verlässlich geschützt.
Als Ergänzung zu seinem bisher beschriebenen Komponenten kann der thermoelektrische Generator 10 auch mit mindestens einem Kühlwasserkanal 34 ausgebildet sein, welcher vorzugsweise entlang der mindestens einen kalten Seite 26b des mindestens einen thermoelektrischen Moduls geführt wird. Die Ausbildbarkeit des thermoelektrischen Generators 10 ist jedoch nicht auf eine Ausstattung mit dem mindestens einen Kühlwasserkanal 34 oder auf eine bestimmte Ausbildung von diesem limitiert.
Der in 1 schematisch dargestellte thermoelektrische Generator 10 weist eine äußere thermische Isolierung 36 auf. Außerdem ist bei dem thermoelektrischen Generator 10 auch ein zwischen der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 und dem benachbarten thermoelektrischen Modul 26 und dem zugeordneten Zwischenvolumen liegender Bereich mit einer thermischen Isolierung 38 gefüllt. Somit findet kein direkter Wärmetransfer (reiner Festkörper-Wärmetransfer) zwischen der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 und dem mindestens einen benachbarten thermoelektrischen Modul 26 statt. Sofern eine Abgastemperatur des mindestens einen Abgases 18 unter die Grenztemperatur fällt, gibt die abkühlende mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 die freiwerdende Wärmeenergie über die mindestens eine zweite Abgas-Kontaktfläche 32 an das mindestens eine Abgas 18 ab. Über das mindestens eine Abgas 18 wird die Wärmeenergie anschließend an die mindestens eine erste Abgas-Kontaktfläche 16 weitergeleitet und danach an das mindestens eine zugeordnete thermoelektrische Modul 26 übertragen. Somit kann die mittels der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 zwischengespeicherte Wärmeenergie zumindest teilweise von dem mindestens einen thermoelektrischen Modul 26 in elektrische Energie umgesetzt werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des thermoelektrischen Generators.
Der in 2 schematisch dargestellte thermoelektrische Generator 10 weist die oben schon beschriebenen Komponenten 12, 16 und 20 bis 36 auf. Allerdings ist bei dem thermoelektrischen Generator 10 der 2 ein zwischen der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 und dem Zwischenvolumen liegender Bereich nicht vollständig mit einer thermischen Isolierung 38 gefüllt. Stattdessen ist in dem jeweiligen Bereich ein Wärmeübertragungskontakt 40 zwischen der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 und mindestens einem Wärmeleitmaterial 28 so ausgebildet, dass Wärmeenergie direkt von der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 über das jeweils dazwischen liegende mindestens eine Wärmeleitmaterial 28 auf das mindestens eine zugeordnete thermoelektrische Modul 26 übertragbar ist.
Dies ist vorteilhaft, da ein Wärmeübergang zwischen den Feststoffen der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 und dem mindestens einen Wärmeleitmaterial 28 eine höhere Effizienz als ein Feststoff-Gas-Wärmeübergang aufweist. Gegenüber der oben beschriebenen Ausbildungsform kann somit der Wärmeübertragungskontakt 40 zwei Feststoff-Gas-Wärmeübergänge ersetzen. Somit gewährleistet der thermoelektrische Generator 10 der 2 eine bessere Ausbeute der in der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 zwischengespeicherten Wärmeenergie.
3a bis 3d zeigen schematische Teildarstellungen zum Erläutern einer Funktionsweise einer dritten Ausführungsform des thermoelektrischen Generators.
Der mittels der 3a bis 3d schematisch teilweise wiedergegebene thermoelektrische Generator 10 ist so ausgebildet, dass Wärmeenergie über mindestens einen ausbildbaren Wärmeübertragungskontakt 40 des thermoelektrischen Generators 10 von der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 (direkt oder indirekt) auf das mindestens eine zugeordnete thermoelektrische Modul 26 übertragbar ist. Das Vorliegen eines ausgebildeten oder ausbildbaren Wärmeübertragungskontakts 40 zwischen der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 und dem zugeordneten thermoelektrischen Modul 26, bzw. dem mindestens einen damit verbundenen Wärmeleitmaterial 28, ist mit dem Vorteil verbunden, dass die zwischengespeicherte Wärmeenergie ausschließlich über einen Festkörper-Wärmeleitpfad aus der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 in das mindestens eine thermoelektrische Modul 26 einspeisbar ist. Auch auf diese Weise kann der oben genannte Feststoff-Gas-Wärmeübergang vorteilhaft umgangen werden. Die Einspeisung der zwischengespeicherten Wärmeenergie weist in diesem Fall eine deutlich höhere Effizienz auf.
Insbesondere ist der mindestens eine Wärmeübertragungskontakt 40 mit mindestens einer schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 des thermoelektrischen Generators 10 ausbildbar, wobei die schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 aus einem wärmeleitenden Zustand in einen nicht wärmeleitenden Zustand überführbar ist. Die Realisierung des mindestens einen Wärmeübertragungskontakts 40 mittels mindestens einer schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 bietet den Vorteil, dass der Wärmeübertragungskontakt 40 gezielt dann ausbildbar ist, wenn die Grenztemperatur des mindestens einen latenten Wärmespeichermaterials und/oder thermochemischen Wärmespeichermaterials überschritten ist. Demgegenüber ist der ausbildbare Wärmeübertragungskontakt 40 gezielt unterbrechbar, sofern die Grenztemperatur noch nicht unterschritten ist. Auf diese Weise ist verhinderbar, dass Wärmeenergie aus der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 bereits bei Temperaturen unterhalb der Grenztemperatur in das mindestens eine thermoelektrische Modul 26 strömt.
Vorzugsweise ist die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 des thermoelektrischen Generators 10 so ausgebildet, dass die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 bei einer Temperatur über einer Schalttemperatur Ts (automatisch) aus dem nicht-wärmeleitenden Zustand in den wärmeleitenden Zustand übergeht, und bei einer Temperatur unter der Schalttemperatur Ts (automatisch) aus dem wärmeleitenden in den nicht-wärmeleitenden Zustand übergeht. Durch die automatische Schaltbarkeit der mindestens einen schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 kann eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der mindestens einen schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 eingespart werden.
Bei dem thermoelektrischen Generator 10 der 3a bis 3d expandiert die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 des thermoelektrischen Generators 10 bei einer Temperatur über der Schalttemperatur Ts. Mittels der expandierten schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 wird der mindestens eine Wärmeübertragungskontakt 40 zwischen der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 und dem mindestens einen zugeordneten thermoelektrischen Modul 26 oder mindestens einem das mindestens eine zugeordnete thermoelektrische Modul 26 (direkt oder indirekt) kontaktierende Wärmeleitmaterial 28 geschlossen. Demgegenüber kontrahiert sich die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 des thermoelektrischen Generators 10 bei einer Temperatur unter der Schalttemperatur Ts so, dass der Wärmeübertragungskontakt 40 aufgrund eines Luftspalts 44 unterbrochen wird.
Bei der Ausführungsform der 3a bis 3d ist die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 als eine äußere Hülle der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30, welche mit dem mindestens einen latenten Wärmespeichermaterial und/oder mit dem mindestens einen thermochemischen Wärmespeichermaterial gefüllt ist, ausgebildet. Wie anhand der 3a und 3b zu erkennen ist, ist die schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 so geformt, dass eine Phasenumwandlung des mindestens einen latenten Wärmespeichermaterials und/oder eine reversible chemische Reaktion des mindestens einen thermochemischen Wärmespeichermaterials eine Formänderung der äußeren Hülle der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 bewirkt. Dies ermöglicht eine kostengünstige Ausbildung der mindestens einen schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 zum Gewährleisten ihrer vorteilhaften Funktionsweise.
3a zeigt eine als äußere Hülle einer Wärmespeicherkammer 30 ausgebildete schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 in ihrer komprimierten Form. Die komprimierte schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 weist bei einer ersten Temperatur kleiner als eine vorgegebene Schalttemperatur Ts eine erste maximale Länge L1 auf.
Wie anhand der 3b zu erkennen ist, bewirkt eine Temperaturzunahme auf eine zweite Temperatur T2 größer als der Schalttemperatur Ts eine Expansion der als äußere Hülle der Wärmespeicherkammer 30 ausgebildeten schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 auf eine zweite maximale Länge L2 größer als die erste maximale Länge L1. Diese Expansion der schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 kann zum Schließen des mindestens einen Wärmeübertragungskontakts 40 genutzt werden. Dazu wird die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 in einem Freiraum in dem Generatorgehäuse 12 zwischen mindestens einer Abstützwand 46 und dem mindestens einen zugeordneten thermoelektrischen Modul 26 oder dem mindestens einen das mindestens eine zugeordnete thermoelektrische Modul 26 (direkt oder indirekt) kontaktierende Wärmeleitmaterial 28 angeordnet, welcher in Richtung der maximalen Länge L1 oder L2 eine Ausdehnung aufweist, welche größer als die erste maximale Länge L1 und kleiner oder gleich der maximalen Länge L2 ist.
Somit bewirkt ein Vorliegen der schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 in ihrem komprimierten Zustand das Vorliegen mindestens eines Luftspalts 44 zwischen der Wärmespeicherkammer 30 und dem benachbarten thermoelektrischen Modul 26, bzw. dem mindestens einen das Modul 26 (direkt oder indirekt) kontaktierende Wärmeleitmaterial 28 (siehe 3c). Wie anhand von 3d zu erkennen ist, wird der mindestens eine Luftspalt 44 bei einer zweiten Temperatur T2 größer oder gleich der Schalttemperatur Ts durch die Expansion der schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtungen 42 auf zumindest die zweite maximale Länge L2 so überbrückt, dass der Wärmeübertragungskontakt 40 geschlossen wird.
Die als äußere Hülle der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 ausgebildete mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 kann beispielsweise aus Nickel sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, sofern LiOH als latentes Wärmespeichermaterial (Phasenwechselwärmespeicher) verwendet wird. Ebenso kann die schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 als äußere Hülle den Edelstahl 1,4301 (X5CrNi18-10) zur Verkapselung eines Phasenwechselwärmespeichers aus 87,76Al-12,24Si und/oder AlSi12 aufweisen. Die hier aufgezählten Materialien zum Bilden der als äußere Hülle der Wärmespeicherkammer 30 fungierenden schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 sind jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
Es wird darauf hingewiesen, dass die oben erläuterte Ausbildung der schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 als äußere Hülle/Verkapselung der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 lediglich beispielhaft zu interpretieren ist. Beispielsweise kann die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung auch zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung geformt sein. Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall eine Zwei-Wege-Formgedächtnislegierung, wobei die schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 sowohl eine Hochtemperatur- wie auch eine Tieftemperaturform besitzt.
Die zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung gebildete schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 kann beispielsweise als Feder gestaltet sein. Bei einem Erreichen der Formgedächtnistemperatur nimmt die als Feder ausgebildete schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 in diesem Fall ihre expandierte Hochtemperaturform an und kann eine Wärmespeicherkammer 30 somit derart in Richtung des benachbarten thermoelektrischen Moduls 26, bzw. des mindestens einen zugeordneten Wärmeleitmaterials 28, verschieben, dass der gewünschte Wärmeübertragungskontakt 40 geschlossen wird. Bei einer Tieftemperaturform der mindestens einen als Feder ausgebildeten schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 kann die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 wieder in ihre Ausgangsstellung zurückverschoben werden, wodurch der Wärmeübertragungskontakt 42 durch einen Luftspalt 44 unterbrochen wird. Somit bietet auch eine Bildung der mindestens einen schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung die oben schon beschriebenen Vorteile.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42, welche beispielsweise als äußere Hülle der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 und/oder aus einem Formgedächtnismaterial ausgebildet ist, mit einem eine Ruß-Abbrandtemperatur reduzierenden Katalysator beschichtet sein. Durch das katalytische Beschichten der schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 ist die Abbrandtemperatur des Rußes so reduzierbar, dass die schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 auch nach einem längeren Betrieb des thermoelektrischen Generators 10 (nahezu) rußfrei bleibt. Auf diese Weise ist verhinderbar, dass sich Ruß auf der schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 ablagert und somit über Rußablagerungen eine thermische Verbindung zwischen der komprimierten schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 und ihrer äußeren Umgebung bildet. Als katalytische Beschichtung ist beispielsweise Ceroxid (CeO) geeignet.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung.
Die in 4 schematisch wiedergegebene Wärmespeichervorrichtung 50 kann mit einem thermoelektrischen Generator 52 eines Fahrzeugs zusammenwirken. Dazu ist die Wärmespeichervorrichtung 50 außerhalb eines Generatorgehäuses 12 des thermoelektrischen Generators 52 in einem Abgasstrang 14 des Fahrzeugs und/oder in einem Bypass 54 zu dem Abgasstrang 14 so anordbar, dass Wärmeenergie über mindestens einen zwischen der Wärmespeichervorrichtung 50 und dem thermoelektrischen Generator 52 ausgebildeten oder ausbildbaren Wärmeübertragungskontakt 40 von der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 der Wärmespeichervorrichtung 50 auf mindestens ein (nicht skizziertes) thermoelektrisches Modul des thermoelektrischen Generators 52 übertragbar ist. Die mindestens eine Wärmespeicherkammer 30 ist auch in diesem Fall mit mindestens einem Wärmespeichermaterial gefüllt. Das mindestens eine Wärmespeichermaterial kann insbesondere mindestens ein latentes Wärmespeichermaterial und/oder mindestens einen thermochemisches Wärmespeichermaterial sein.
Bei der Ausführungsform der 4 ist die Wärmespeichervorrichtung 50 in einem Bypass 54 integriert. Der Vorteil einer derartigen Anordnung der Wärmespeichervorrichtung 50 liegt darin, dass in diesem Fall auch die durch den Bypass 54 geleitete Abgaswärme mit einer vergleichsweise hohen Temperatur, welche beispielsweise unzulässig für den thermoelektrischen Generator 52 ist, trotzdem für den thermoelektrischen Generator 52 nutzbar ist. Dazu kann die Wärme des durch den Bypass 54 geleiteten Abgases 18 mittels der Wärmespeichervorrichtung 50 zwischengespeichert werden. Die zwischengespeicherte Wärme kann anschließend wieder, sobald der thermische Generator 52 in seinen Betriebszustand unterhalb seiner maximalen Auslegung vorliegt, in diesen eingespeist werden. Auf diese Weise ist die elektrische Leistungsabgabe des thermoelektrischen Generators 52 zusätzlich steigerbar.
Der Bypass 54 wird häufig dazu genutzt, ein Überschreiten der Abgastemperatur und/oder des Abgasgegendrucks bei einer hohen Last, wie beispielsweise bei einer Fahrt auf einer Autobahn, zu kompensieren. Dazu wird der Bypass 54 freigeschaltet, wenn eine Überhitzung des thermoelektrischen Generators 52 aufgrund der Abgastemperatur und/oder des Abgasgegendrucks zu befürchten ist. Mittels des Bypasses 54 kann der Abgasstrom zumindest teilweise am thermoelektrischen Generator 52 vorbeigeleitet werden. Herkömmlicherweise geht durch dieses Öffnen des Bypasses jedoch sehr viel thermische Energie für den thermoelektrischen Generator 52 und damit auch für die Stromgewinnung verloren. Demgegenüber macht die Wärmespeichervorrichtung 50 auch einen Teil der Abwärme nutzbar, welcher sonst durch den Bypass 54 verloren geht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 50 ist der mindestens eine Wärmeübergangskontakt 40 mittels mindestens einer schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 der Wärmespeichervorrichtung 50 ausbildbar. Dies ist dadurch realisierbar, dass die schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 aus einem wärmeleitenden Zustand in einen nicht-wärmeleitenden Zustand überführbar ist. Beispielsweise kann dazu die schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung so ausgelegt sein, dass die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 bei einer Temperatur über einer Schalttemperatur (automatisch) aus dem nicht-wärmeleitenden Zustand in den wärmeleitenden Zustand übergeht, und bei einer Temperatur unter der Schalttemperatur (automatisch) aus dem wärmeleitenden Zustand in den nicht-wärmeleitenden Zustand übergeht. Dies ist realisierbar, indem die schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 der Wärmespeichervorrichtung 50 so ausgelegt wird, dass sie bei einer Temperatur über der Schalttemperatur expandiert, und somit der mindestens eine Wärmeübertragungskontakt 40 zwischen der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 und dem thermoelektrischen Generator 52, bzw. dem mindestens einen thermoelektrischen Modul, geschlossen wird. Ebenso kann die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 so ausgebildet sein, dass sie sich bei einer Temperatur unter der Schalttemperatur kontrahiert, wodurch der Wärmeübertragungskontakt 42 aufgrund eines (nicht eingezeichneten) Luftspalts unterbrochen wird.
Zum Gewährleisten der vorteilhaften Funktionsweise der mindestens einen schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung 42 der Wärmespeichervorrichtung 50 kann die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung geformt sein und/oder als eine äußere Hülle der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 ausgebildet sein. Bezüglich der Ausbildbarkeit der mindestens einen schaltbaren Verbindungseinrichtung 42 wird auf die oberen Ausführungen verwiesen. Die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung 42 ist vorzugsweise durch ein Gehäuse vor Verschmutzung geschützt.
Die in 4 schematisch dargestellte Wärmespeichervorrichtung 50 kann als eine kompakte Einheit mit dem thermoelektrischen Generator 52 ausgebildet sein. Des Weiteren kann ein äußeres Gehäuse der Wärmespeichervorrichtung 50 einstückig mit dem Abgasstrang 14 und/oder dem Bypass 54 ausgebildet sein.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen des thermoelektrischen Generators 10 und 52 und der Wärmespeichervorrichtung 50 können insbesondere auch in einem Abgas-Katalysator zu einem Bauteil integriert sein. Dabei können das latente Wärmespeichermaterial und/oder das thermochemische Wärmespeichermaterial so in dem Abgas-Katalysator integriert sein, dass die Temperatur der katalytisch aktiven Oberfläche im Abgas-Katalysator mittels der mindestens einen Wärmespeicherkammer 30 begrenzbar ist. Auf diese Weise ist ein Abtrag von katalytisch aktiver Substanz durch Übertemperatur verhinderbar.
Insbesondere kann der Verbund aus einem Abgas-Katalysator, einem thermoelektrischen Generator 10 oder 52 und/oder einer Wärmespeicherkammer 30/Wärmespeichervorrichtung 50 so gestaltet sein, dass die Wärmespeicherkammer 30/Wärmespeichervorrichtung 50 speziell bei einem Vorliegen des Katalysators in einer Hochtemperaturform einen thermischen Kontakt zu dem Katalysator ausbildet. Auf diese Weise ist sicherstellbar, dass der Katalysator bei niedrigen Temperaturen keine thermischen Verluste durch den thermoelektrischen Generator 10 oder 52 und/oder die Wärmespeicherkammer 30/Wärmespeichervorrichtung 50 erfährt. Eine Aufwärmdauer bis zum Erreichen einer Betriebstemperatur des Katalysators wird damit trotz der Verbundbildung nicht verlängert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006040853 B3 [0002]

Claims

Thermoelektrischer Generator (10) für ein Fahrzeug mit: einem Generatorgehäuse (12), welches in einem Abgasstrang (14) des Fahrzeugs und/oder in einem Bypass (54) zu dem Abgasstrang (14) so anordbar ist, dass mindestens eine erste Abgas-Kontaktfläche (16) des thermoelektrischen Generators (10) für eine Kontaktierung durch mindestens ein Abgas (18) freiliegt; mindestens einem der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche (16) zugeordneten thermoelektrischen Modul (26), wobei Wärmeenergie von der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche (16) über zumindest einen Wärmeleitpfad auf das mindestens eine thermoelektrische Modul (26) übertragbar ist; und mindestens einer mit mindestens einem Wärmespeichermaterial gefüllten Wärmespeicherkammer (30); dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen Wärmespeicherkammer (30) mindestens eine zweite Abgas-Kontaktfläche (32) des thermoelektrischen Generators (10) zugeordnet ist, welche für eine Kontaktierung durch das mindestens eine Abgas (18) freiliegt, wobei Wärmeenergie von der mindestens einen zweiten Abgas-Kontaktfläche (32) auf die mindestens eine Wärmespeicherkammer (30) übertragbar ist, und wobei die mindestens eine Wärmespeicherkammer (30) außerhalb des zumindest einen Wärmeleitpfads von der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche (16) zu dem mindestens einen thermoelektrischen Modul (26) angeordnet ist.
Thermoelektrischer Generator (10) nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Zwischenvolumen zwischen jeweils der mindestens einen ersten Abgas-Kontaktfläche (16) und dem mindestens einen zugeordneten thermoelektrischen Modul (26) liegt, und die mindestens eine Wärmespeicherkammer (30) außerhalb des mindestens einen Zwischenvolumens angeordnet ist.
Thermoelektrischer Generator (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei Wärmeenergie über mindestens einen ausgebildeten oder ausbildbaren Wärmeübertragungskontakt (40) des thermoelektrischen Generators (10) von der mindestens einen Wärmespeicherkammer (30) auf das mindestens eine zugeordnete thermoelektrische Modul (26) übertragbar ist.
Thermoelektrischer Generator (10) nach Anspruch 3, wobei der mindestens eine Wärmeübertragungskontakt (40) mittels mindestens einer schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung (42) des thermoelektrischen Generators (10) ausbildbar ist, welche aus einem nicht-wärmeleitenden Zustand in einen wärmeleitenden Zustand überführbar ist.
Thermoelektrischer Generator (10) nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung (42) des thermoelektrischen Generators (10) bei einer Temperatur (T2) über einer Schalttemperatur (Ts) aus dem nicht-wärmeleitenden Zustand in den wärmeleitenden Zustand übergeht, und bei einer Temperatur (T1) unter der Schalttemperatur (Ts) aus dem wärmeleitenden Zustand in den nicht-wärmeleitenden Zustand übergeht.
Thermoelektrischer Generator (10) nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung (42) des thermoelektrischen Generators (10) bei der Temperatur (T2) über der Schalttemperatur (Ts) so expandiert, dass der mindestens eine Wärmeübertragungskontakt (40) zwischen der mindestens einen Wärmespeicherkammer (30) und dem mindestens einen zugeordneten thermoelektrischen Modul (26) oder einem das mindestens eine zugeordnete thermoelektrische Modul (26) kontaktierenden mindestens einen Wärmeleitmaterial (28) geschlossen wird, und die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung (42) des thermoelektrischen Generators (10) bei der Temperatur (T1) unter der Schalttemperatur (Ts) sich so kontrahiert, dass der Wärmeübertragungskontakt (40) aufgrund eines Luftspalts (44) unterbrochen wird.
Thermoelektrischer Generator (10) nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung (42) zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung geformt ist.
Thermoelektrischer Generator (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung (42) als eine äußere Hülle (42) der mindestens einen Wärmespeicherkammer (30), welche mit mindestens einem latenten Wärmespeichermaterial und/oder mit mindestens einem thermochemischen Wärmespeichermaterial als dem mindestens einen Wärmespeichermaterial gefüllt ist, so geformt ist, dass eine Phasenumwandlung des mindestens einen latenten Wärmespeichermaterials und/oder eine reversible chemische Reaktion des mindestens einen thermochemischen Wärmespeichermaterials eine Formänderung der äußeren Hülle (42) der mindestens einen Wärmespeicherkammer (30) bewirkt.
Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung (42) mit einem eine Ruß-Abbrandtemperatur reduzierenden Katalysator beschichtet ist.
Wärmespeichervorrichtung (50) für einen thermoelektrischen Generator (52) eines Fahrzeugs mit: mindestens einer mit mindestens einem Wärmespeichermaterial gefüllten Wärmespeicherkammer (30); wobei die Wärmespeichervorrichtung (50) außerhalb eines Gehäuses (12) des thermoelektrischen Generators (52) in einem Abgasstrang (14) des Fahrzeugs und/oder in einem Bypass (54) zu dem Abgasstrang (14) so anordbar ist, dass Wärmeenergie über mindestens einen zwischen der Wärmespeichervorrichtung (50) und dem thermoelektrischen Generator (52) ausgebildeten oder ausbildbaren Wärmeübertragungskontakt (40) von der mindestens einen Wärmespeicherkammer (30) auf mindestens ein thermoelektrisches Modul (26) des thermoelektrischen Generators (52) übertragbar ist.
Wärmespeichervorrichtung (50) nach Anspruch 10, wobei der mindestens eine Wärmeübertragungskontakt (40) mittels mindestens einer schaltbaren wärmeleitenden Verbindungseinrichtung (42) der Wärmespeichervorrichtung (50) ausbildbar ist, welche aus einem nicht-wärmeleitenden Zustand in einen wärmeleitenden Zustand überführbar ist.
Wärmespeichervorrichtung (50) nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung (42) der Wärmespeichervorrichtung (50) bei einer Temperatur (T2) über einer Schalttemperatur (Ts) aus dem nicht-wärmeleitenden Zustand in den wärmeleitenden Zustand übergeht, und bei einer Temperatur (T1) unter der Schalttemperatur (Ts) aus dem wärmeleitenden Zustand in den nicht-wärmeleitenden Zustand übergeht.
Wärmespeichervorrichtung (50) nach Anspruch 12, wobei die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung (42) der Wärmespeichervorrichtung (50) bei der Temperatur (T2) über der Schalttemperatur (Ts) so expandiert, dass der mindestens eine Wärmeübertragungskontakt (40) geschlossen wird, und die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung (42) der Wärmespeichervorrichtung (50) bei der Temperatur (T1) unter der Schalttemperatur (Ts) sich so kontrahiert, dass der Wärmeübertragungskontakt (40) aufgrund eines Luftspalts (44) unterbrochen wird.
Wärmespeichervorrichtung (50) nach Anspruch 13, wobei die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung (42) der Wärmespeichervorrichtung (50) zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung geformt ist und/oder als eine äußere Hülle (42) der mindestens einen Wärmespeicherkammer (30), welche mit dem mindestens einen Wärmespeichermaterial gefüllt ist, ausgebildet ist.
Wärmespeichervorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die mindestens eine schaltbare wärmeleitende Verbindungseinrichtung (42) durch ein Gehäuse vor Verschmutzung geschützt ist.