-
Die Erfindung betrifft einen Thermogenerator für Kraftfahrzeuge.
-
Aus dem Stand der Technik sind Thermogeneratoren bekannt, die beispielsweise in den Abgasstrang von Kraftfahrzeugen integriert sind und zur elektrischen Abgaswärmenutzung dienen.
-
Die
DE 60 2004 003 652 T2 beschreibt ein Abgasemissionssteuerungssystem mit einem Generator zur Umwandlung thermischer Energie eines Abgases in elektrische Energie und einem Abgasreinigungskatalysator. Der Generator umfasst ein Gehäuse, in welchem vier Abgaswege ausgebildet sind. Jeder Abgasweg ist mit einem als Wärmerückgewinnungseinrichtung fungierendem Rippenbauteil und einem Kühlmittelfach versehen. Das Kühlmittelfach umfasst einen am Gehäuse befestigten äußeren Rahmen und einen relativ zu dem äußeren Rahmen beweglichen inneren Rahmen, welcher dem Rippenbauteil gegenüberliegt. Im inneren Rahmen sind Kühlmittelwege ausgebildet. Auf der Innenseite des inneren Rahmes ist ein thermoelektrisches Wandlermodul angebracht. Wenn das Kühlmittel in den Kühlmittelwegen strömt, bewegt sich der innere Rahmen und damit auch das thermoelektrische Wandlermodul in Richtung Rippenbauteil, wodurch das thermoelektrische Wandlermodul in Kontakt mit dem Rippenbauteil kommt. Während sich das thermoelektrische Wandlermodul in Kontakt mit dem Rippenbauteil befindet, gewinnen die Rippen die Wärme aus dem Abgas zurück und übertragen die Wärme an das thermoelektrische Wandlermodul. Das thermoelektrische Wandlermodul wandelt die thermische Energie in elektrische Energie um, indem es von der großen Temperaturdifferenz zwischen dem Rippenbauteil (durch Abgas erwärmt) und dem Kühlmittelfach (durch Kühlmittel gekühlt) Gebrauch macht.
-
Die
DE 10 2009 025 046 A1 zeigt eine Vorrichtung zur elektrischen Abgaswärmenutzung, umfassend ein Abgasrohr, mindestens ein thermoelektrisches Element und mindestens einen Kühlmittelbehälter zum Führen von Kühlmittel. Das thermoelektrische Element befindet sich zwischen dem Abgasrohr und dem Kühlmittelbehälter, wobei eine Oberfläche des thermoelektrischen Elements an das Abgasrohr geklebt ist und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des thermoelektrischen Elements mit dem Kühlmittelbehälter in Kontakt steht. Durch die Klebeverbindung zwischen thermoelektrischen Element und Abgasrohr kann ein sehr guter Wärmeübergang zwischen dem Abgas und dem thermoelektrischen Element erreicht werden. Dadurch, dass das thermoelektrische Element gleichzeitig mit dem Kühlmittelbehälter in Verbindung steht, ist es in einem Bereich mit einem großen Temperaturgradienten angeordnet. Auf diese Weise lässt sich ein Maximum an Abgaswärme zur Erzeugung von elektrischer Energie nutzen.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Thermogenerator für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, welcher eine einfache Konstruktion aufweist und aufwandsarm in das Kraftfahrzeug integriert werden kann. Weiterhin soll auch ein Verfahren zur thermoelektrischen Abwärmenutzung bei Kraftfahrzeugen unter Verwendung eines derartigen Thermogenerators zur Verfügung gestellt werden.
-
Zur Lösung der Aufgabe dient ein Thermogenerator gemäß dem beigefügten Anspruch 1 bzw. eine Anordnung zur Energierückgewinnung gemäß dem beigefügten Anspruch 6, welche einen solchen Thermogenerator verwendet.
-
Der erfindungsgemäße Thermogenerator umfasst einen in einen Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs integrierten Hohlkörper, welcher von erwärmtem Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs durchströmt wird, und mindestens einen mit der Außenfläche des Hohlkörpers thermisch leitfähig verbunden, thermoelektrischen Wandler. Der Hohlkörper kann beispielsweise in den Motorkühlkreislauf integriert sein.
-
Thermoelektrische Wandler dienen bekanntlich zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie durch Ausnutzung des Seebeck-Effekts. Das bedeutet, dass thermoelektrische Wandler eine Temperaturdifferenz nutzen, um eine thermoelektrische Umwandlung von Energie zu bewirken. Je größer die Temperaturdifferenz ist, umso mehr Elektrizität kann erzeugt werden. Zu den thermoelektrischen Wandlern gehören Peltier-Elemente.
-
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Thermogenerators ist darin zu sehen, dass er eine zusätzliche, bislang noch nicht genutzte Energieeinsparmöglichkeit bietet und somit einen Beitrag zur Verbesserung der gesamten Energiebilanz von Kraftfahrzeugen leistet. Hierzu wird erfindungsgemäß die im erwärmten Kühlmittel enthaltene thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt, welche anschließend für andere Prozesse zur Verfügung steht. Auf diese Weise können die Betriebskosten des Kraftfahrzeugs gesenkt werden.
-
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Thermogenerators ist darin zu sehen, dass er sich durch eine einfache Bauweise auszeichnet und somit verhältnismäßig aufwandsarm und preiswert zu realisieren ist. Es bedarf lediglich eines Hohlkörpers mit einem Durchflussweg für ein Kühlmittel, welcher an einer geeigneten Stelle im Kühlmittelkreislauf anzuordnen ist. An der Oberfläche des Hohlkörpers sind handelsübliche thermoelektrische Wandler zu befestigen. Die warme Seite des thermoelektrischen Wandler ist die am Hohlkörper befestigte Seite. Die der warmen Seite gegenüberliegende kalte Seite des thermoelektrischen Wandlers wird von der Umgebungsluft gekühlt. Idealerweise ist der Hohlkörper derart angeordnet, dass die kalte Seite durch den Fahrwind gekühlt werden kann, was wiederum die Effizienz des Thermogenerators verbessert.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Thermogenerator Sensoren zur Erfassung der Temperatur des erwärmten Kühlmittels und der Temperatur der vom Hohlkörper abgewandten Seite des thermoelektrischen Wandlers. Diese Ausführungsform verwendet weiterhin ein Stellventil zur Steuerung der Zuführmenge des erwärmten Kühlwassers in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz der von den Sensoren erfassten Temperaturen zum Hohlkörper. Um elektrische Energie erzeugen zu können, ist es erforderlich, dass eine bestimmte Temperaturdifferenz zwischen der kalten (der vom Hohlkörper abgewandten Seite des thermoelektrischen Wandlers) und der warmen Seite (der am Hohlkörper befestigten Seite des thermoelektrischen Wandlers) vorhanden ist. Durch die Möglichkeit der Steuerung der Zuführmenge des erwärmten Kühlwassers kann eine entsprechende Temperarturdifferenz eingestellt werden und somit die Effizienz des Thermogenerators gesteigert werden.
-
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Hohlkörper an seiner Außenfläche mehrere verteilt angeordnete thermoelektrische Wandler auf. Durch die Verwendung mehrerer thermoelektrischer Wandler kann naturgemäß auch mehr elektrische Energie erzeugt werden. Es besteht die Möglichkeit lediglich eine Außenseite mit thermoelektrischen Wandlern zu bestücken. Alternativ können auch mehrere Außenseiten mit thermoelektrischen Wandlern versehen werden.
-
Die thermisch leitfähige Befestigung des thermoelektrischen Wandlers an der Außenfläche des Hohlkörpers kann mittels Wärmeleitkleber und/oder Wärmeleitpaste erfolgen. Hierdurch kann eine sehr stabile und gut wärmeleitende Verbindung zwischen Hohlkörper und thermoelektrischem Wandler hergestellt werden.
-
Die Integration des erfindungsgemäßen Thermogenerators in ein Kraftfahrzeug kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Um einen möglichst guten Wirkungsgrad zu erzielen, ist es zweckmäßig den Thermogenerator derart anzuordnen, dass die kalte Seite des thermoelektrischen Wandlers durch den beim Fahren auftretenden Fahrtwind des Kraftfahrzeugs gekühlt werden kann. Weiterhin sollte bei der Installation des Thermogenerators beachtet werden, dass nur eine möglichst kurze Kühlmittelzuleitung zum Thermogenerator erforderlich ist, um ein Abkühlen des warmen Kühlmittels zu verhindern bzw. zu begrenzen und damit Energieverluste gering zu halten.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlkörper am Unterboden des Kraftfahrzeugs befestigt. Hier ist gewährleistet, dass die kalte Seite des thermoelektrischen Wandlers durch den Fahrtwind gekühlt werden kann. Anderer Ausführungsformen verwenden einen in die Außenhaut des Kraftfahrzeugs integrierten Hohlkörper, wo wiederum der Kühleffekt durch den Fahrtwind genutzt werden kann. Der Hohlkörper kann auch im Motorraum befestigt werden, wo insbesondere die Nähe zum Motorkühlkreislauf vorteilhaft ist. Der Hohlkörper könnte bei dieser Ausführung beispielsweise direkt hinter dem Kühlergrill angeordnet werden, wodurch auch hier der Fahrtwind zum Kühlen der kalten Seite des thermoelektrischen Wandlers genutzt werden kann. Weiterhin ist es möglich den Hohlkörper auch im Bereich des Heckschwellers anzuordnen. Dies ist beispielsweise bei Fahrzeugen mit Heckantrieb günstig, da dadurch der Thermogenerator in Nähe des im Heck befindlichen Motorkühlkreislauf angeordnet ist. Auch hier kann der Kühleffekt des Fahrtwindes ausgenutzt werden.
-
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Thermogenerator in den Bereichen der Außenfläche des Hohlkörpers, in denen keine thermoelektrischen Wandler angeordnet sind, eine Isolierung aufweist. Hierdurch kann vermieden werden, dass Wärme aus dem Kühlmittel ungenutzt von den nicht mit thermoelektrischen Wandlern bestückten Bereichen abgegeben wird, wodurch Energieverluste vermieden bzw. reduziert werden können.
-
Zur Lösung der Aufgabe dient auch ein Verfahren zur thermoelektrischen Abwärmenutzung bei Kraftfahrzeugen gemäß dem beigefügten Anspruch 8.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur thermoelektrischen Abwärmenutzung findet in dem bereits beschriebenen Thermogenerator statt, welcher in einen Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs integriert ist. Es umfasst nachfolgend beschriebene Schritte: In einem ersten Schritt wird dem Thermogenerator erwärmtes Kühlmittel zugeführt, um die warme Seite mindestens eines thermoelektrischen Wandlers mit Wärme zu beaufschlagen. Die kalte Seite des thermoelektrischen Wandlers wird gekühlt. Die Zufuhr des erwärmten Kühlmittels und das Kühlen der kalten Seite werden so gesteuert, dass eine vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Seite des thermoelektrischen Wandlers eingestellt wird, die den Betrieb des Wandlers gestattet. Die elektrische Energie am thermoelektrischen Wandler, die durch Umwandlung der im Kühlmittel enthaltenen thermischen Energie generiert wird, wird nun abgegriffen. Die gewonnene elektrische Energie kann in einem Energiespeicher abgespeichert werden.
-
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass es einen neuen Weg zur Energieeinsparung bei Kraftfahrzeugen aufzeigt, was nicht zuletzt auch unter Umweltaspekten sehr vorteilhaft ist. Aus dem Stand der Technik ist es zwar bekannt, die im erwärmten Kühlmittel enthaltene Energie zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums zu nutzen, was jedoch naturgemäß nur in der kalten Jahreszeit sinnvoll ist, da bei höheren Außentemperaturen keine Beheizung des Fahrzeuginnenraums stattfindet. Der erfindungsgemäße Thermogenerator kann ganzjährig zum Einsatz kommen, wodurch neue Energieeinsparpotenziale erschlossen werden.
-
Nach einer bevorzugten Ausführung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren noch folgende zusätzliche Schritte: So wird während des Verfahrens die Temperatur des erwärmten Kühlmittels und die Temperatur der kalten Seite des thermoelektrischen Wandlers erfasst. Anschließend wird aus den erfassten Temperaturen die Temperaturdifferenz ermittelt. In Abhängigkeit von der ermittelten Temperaturdifferenz erfolgt eine Regelung der dem Thermogenerator zugeführten Kühlmittelmenge. Hierdurch wird sichergestellt, dass die zur Stromerzeugung erforderliche Temperaturdifferenz am thermoelektrischen Wandler vorliegt.
-
Aus dem Stand der Technik sind thermoelektrische Wandler bekannt, welche eine Temperaturdifferenz von etwa 70 K benötigen, um thermische Energie in elektrische Energie umwandeln zu können.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert.
-
Die Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Thermogenerator 01, welcher zum Einsatz bei Kraftfahrzeugen entwickelt wurde, um bislang nicht genutzte Energieeinsparpotenziale zu erschließen. Der erfindungsgemäße Thermogenerator 01 umfasst einen Hohlkörper 02, welcher in einen Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs integrierbar ist. Der Hohlkörper 02 besitzt einen Durchflussweg für Kühlmittel 03 und ist derart im Kühlmittelkreislauf angeordnet, dass er von bereits erwärmten Kühlmittel 03 durchströmt wird. Der Hohlkörper 02 kann beispielsweise im Motorkühlkreislauf angeordnet sein. Hierbei hat sich eine Montage des Hohlkörpers 02 im Motorraum als vorteilhaft erwiesen. Alternativ kann der Hohlkörper 02 auch am Unterboden oder im Bereich des Heckschwellers befestigt sein. Es sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen der Hohlkörper 02 Teil der Außenhaut des Kraftfahrzeugs ist. Die erwähnten Anordnungen für den Hohlkörper 02 sind lediglich beispielhaft, andere Anordnungsvarianten sind möglich. Um Energieverluste beim Transport des erwärmten Kühlmittels 03 zum Hohlkörper 02 zu minimieren, sollte der Hohlkörper 02 möglichst derart im Kühlkreislauf angeordnet werden, dass das erwärmte Kühlmittel 03 nur kurze Wege zum Hohlkörper 02 durchlaufen muss.
-
An der Außenfläche des Hohlkörpers 02 sind thermoelektrische Wandler 04, wie Peltierelemente, auf geeignete Art und Weise thermisch leitfähig befestigt. Die thermisch leitfähige Befestigung der thermoelektrischen Wandler 04 erfolgt vorzugsweise mittels Wärmeleitkleber und/oder Wärmeleitpaste. Bei der gezeigten Ausführung werden drei thermoelektrische Wandler 04 verwendet, welche an einer Außenseite des Hohlkörpers 02 befestigt sind. Es können natürlich auch mehr als drei oder weniger als drei thermoelektrische Wandler 04 zum Einsatz kommen. Die thermoelektrischen Wandler 04 können bei anderen Ausführungen auch auf mehreren Außenseiten des Hohlkörpers 02 angeordnet sein. Bei der Anordnung der thermoelektrischen Wandler 04 ist jedoch zu beachten, dass die vom Hohlkörper 02 abgewandte kalte Seite des thermoelektrischen Wandlers 04 gekühlt werden muss, vorzugsweise von der Umgebungsluft. Es sind aber auch Ausführungen möglich, bei denen die kalte Seite von einem eigenen Kühlelement kontaktiert wird, um eine effiziente Kühlung zu erreichen. Vorzugsweise sollte die kalte Seite des thermoelektrischen Wandlers 04 dem Fahrtwind ausgesetzt sein, um hierdurch eine effiziente Kühlung der kalten Seite erreichen zu können.
-
Der Thermogenerator 01 kann weiterhin mit Sensoren (nicht gezeigt) zur Erfassung der Temperatur des erwärmten Kühlmittels 03 und der Temperatur der vom Hohlkörper 02 abgewandten kalten Seite des thermoelektrischen Wandlers 04 ausgestattet sein. Des Weiteren umfasst der Thermogenerator 01 bei dieser Ausführung ein Stellventil (nicht gezeigt), welches in Abhängigkeit von der zuvor ermittelten Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittel 03 und kalter Seite des thermoelektrischen Wandlers 04 die Zuführmenge des Kühlmittels 03 zum Thermogenerator 01 regelt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die zur Umwandlung von thermischer Energie (aus dem erwärmten Kühlmittel 03) in elektrische Energie erforderliche Temperaturdifferenz am thermoelektrischen Wandler 04 vorliegt.
-
Der Thermogenerator 01 kann eine zusätzliche Isolierung 05 aufweisen, welche an den Bereichen der Außenfläche des Hohlkörpers 02 angebracht ist, an denen sich keine thermoelektrischen Wandler 04 befinden. Durch die Isolierung 05 kann verhindert werden, dass über die Außenflächen des Hohlkörpers 02 Wärme an die Umgebung abgegeben wird, welche dann nicht mehr zur Erzeugung elektrischer Energie zur Verfügung stehen würde.
-
Nachfolgend soll das im erfindungsgemäßen Thermogenerator 01 ablaufende Verfahren zur thermoelektrischen Abwärmenutzung bei Kraftfahrzeugen beschrieben werden.
-
Dem Thermogenerator 01 wird erwärmtes Kühlmittel 03 zugeführt. Zur Regulierung der zugeführten Menge kann die Temperatur des zugeführten Kühlmittels 03 mittels Sensor erfasst werden. Gleichzeitig wird auch die Temperatur der von der Umgebungsluft bzw. vom Fahrtwind gekühlten kalten Seite des thermoelektrischen Wandlers 04 erfasst. Aus den erfassten Temperaturen wird die Differenz gebildet. Auf Basis der ermittelten Temperaturdifferenz erfolgt eine Regelung der dem Thermogenerator 01 zugeführten Kühlmittelmenge, um die zur Umwandlung erforderliche Temperaturdifferenz am thermoelektrischen Wandler 04 einstellen zu können. Im Thermogenerator 01 wird die im erwärmten Kühlmittel 03 enthaltene thermische Energie in elektrische Energie mittels thermoelektrischen Wandlers 04 umgewandelt, was unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts erfolgt. Die im Thermogenerator 01 erzeugte elektrische Energie kann einem Energiespeicher (nicht dargestellt) zugeführt werden und steht anschließend für andere Prozesse zur Verfügung.
-
Bezugszeichenliste
-
- 01
- Thermogenerator
- 02
- Hohlkörper
- 03
- Kühlmittel
- 04
- thermoelektrischer Wandler
- 05
- Isolierung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 602004003652 T2 [0003]
- DE 102009025046 A1 [0004]
