DE102015107164A1

DE102015107164A1 - Thermoelektrische Generatoreinheit und Abgassystem

Info

Publication number: DE102015107164A1
Application number: DE102015107164.9A
Authority: DE
Inventors: Maria Karl; Sylvain Pellissard; Martin Kluge
Original assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2016-11-10
Also published as: WO2016177700A1; US20160326932A1

Abstract

Eine thermoelektrische Generatoreinheit, insbesondere für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, hat ein Außengehäuse (102), in dem wenigstens ein mit einem heißen Fluid (H) durchströmter erster Innenkanal (106) angeordnet ist, und mit wenigstens einem thermoelektrisches Modul (112), das an einer Heißseite (SH) in thermischem Kontakt mit dem ersten Innenkanal (106) ist. Innerhalb des Außengehäuses (102) ist wenigstens ein elastisches Ausgleichselement (116) angeordnet, das eine auf das thermoelektrische Modul (112) wirkende Klemmkraft erzeugt. Das elastische Ausgleichselement (116) besteht wenigstens zu 60% aus organischem Material.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Generatoreinheit, insbesondere zur Ankopplung an eine Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine, und ein Abgassystem.
In einem thermoelektrischen Generator wird nach dem Seebeck-Effekt Wärmeenergie in elektrische Energie umgesetzt. Zu diesem Zweck sind im thermoelektrischen Generator meist mehrere sogenannte thermoelektrische Module verbaut, in denen jeweils eine Anzahl von in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elementen aus spezifischen Materialpaarungen unterschiedlicher Metalle bzw. Halbleitermaterialien angeordnet sind. Über diese thermoelektrischen Elemente wird ein Temperaturgradient angelegt, woraufhin das thermoelektrische Modul eine elektrische Spannung erzeugt.
Derartige thermoelektrische Module sind beispielsweise in Form von flächigen, dünnen, gekapselten einzelnen Einheiten auf dem Markt.
Zur Erzeugung des Temperaturgradienten wird oft die Wärmeenergie eines Abgasstroms einer Abgasanlage eines Fahrzeugs ausgenutzt. Die Möglichkeit, Energie aus der Wärme des Abgases rückzugewinnen, gewinnt mit steigenden Treibstoffpreisen eine immer höhere Attraktivität. Die Ausbeute an elektrischer Energie ist umso größer, je besser die thermoelektrischen Module in direkten Kontakt mit der Wärme des Abgases gebracht werden können. Daher werden die Komponenten in thermoelektrischen Generatoreinheiten oft durch Klemmkräfte aneinandergehalten, um die Heiß- und Kaltseiten der thermoelektrischen Module ohne störende Klebstoffschichten in direkten thermischen Kontakt mit den jeweiligen, die Temperaturdifferenz liefernden Komponenten zu bringen. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, Matten aus einem Drahtgeflecht oder Lagermatten für Substrate von Katalysatoren und Partikelfiltern einzusetzen, die mineralische Fasern aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine hohe ökologische Qualität einer thermoelektrischen Generatoreinheit und eines Abgassystems zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht bei einer thermoelektrischen Generatoreinheit, insbesondere für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, die ein Außengehäuse aufweist, in dem wenigstens ein mit einem heißen Fluid durchströmter erster Innenkanal angeordnet ist, und mit wenigstens einem thermoelektrischen Modul, das an einer Heißseite in thermischem Kontakt mit dem Innenkanal ist, wobei innerhalb des Außengehäuses wenigstens ein elastisches Ausgleichselement angeordnet ist, das so ausgebildet ist, dass es eine auf das thermoelektrische Modul wirkende Klemmkraft erzeugt. Das elastische Ausgleichselement besteht zu wenigstens 60% aus organischem Material. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass sich sowohl eine dauerhafte Anpresskraft als auch eine ausreichende thermische und akustische Isolierung nach außen mit günstigen Materialkosten und einer einfachen Verarbeitbarkeit mit organischen Materialien erreichen lässt.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform umfasst das organische Material ein organisches Naturmaterial oder ist ein organisches Naturmaterial. Unter organischen Naturmaterialien werden hier insbesondere nachwachsende Rohstoffe tierischen und pflanzlichen Ursprungs verstanden.
Es ist möglich, dass das elastische Ausgleichselement zum überwiegenden Teil oder sogar vollständig aus dem organischen Naturmaterial besteht.
Einsetzbare organische Naturmaterialien sind beispielsweise Kork, Flachs, Hanf, Gras, Bambusfasern, Bast, Jute, Sisal, Kenaf, Abacáfasern, Kokosfasern, Wolle, insbesondere Schafwolle, Seegras, Holzfasern, Baumwolle oder Kapok. Natürlich kann auch jeweils eine Mischung aus diesen Stoffen oder von anderen Materialien mit diesen Stoffen verwendet werden.
Das organische Naturmaterial kann beispielsweise ein Fasermaterial sein. Fasermaterialien haben allgemein den Vorteil, sich gut verarbeiten zu lassen und gute dauerhaft elastische Eigenschaften aufzuweisen.
Bei den nicht-faserigen organischen Naturmaterialien ist insbesondere Kork wegen seiner hohen Elastizität, seiner guten akustischen und thermischen Dämmfähigkeit und seiner hohen Temperaturbeständigkeit vorteilhaft.
Um die Temperaturfestigkeit zu erhöhen, kann das organische Naturmaterial gegebenenfalls mit einem Stoff behandelt sein, der dessen thermische Stabilität erhöht. Hier könnten Stoffe zum Einsatz kommen, die auch für die Behandlung von organischen Naturmaterialien als Verdämmmaterial beispielsweise im Hausbau eingesetzt werden, beispielsweise bekannte Flammschutzmittel, die den Sauerstoffzugang hemmen.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst das organische Material ein Polymer, wobei sowohl geeignete Biopolymere wie auch geeignete synthetische Polymere eingesetzt werden können. Insbesondere sind vorteilhafte Polymere Elastomere, Polyurethane oder Hochtemperatur-Silikone, aber es lässt sich auch jedes andere geeignete Polymer verwenden. Als "organisches Material" wird gemäß einer Variante der Erfindung jedes Material betrachtet, das Kohlenstoffatome enthält, also auch die sogenannten anorganischen Polymere wie Silikone, bei denen in der Polymerhauptkette keine Kohlenstoffatome, sondern andere Elemente wie beispielsweise Silizium enthalten sind.
Von Vorteil bei organischen Materialien ist auch, dass sie grundsätzlich im Wesentlichen elektrisch isolierend sind.
Vorzugsweise besteht das elastische Ausgleichselement zu wenigstens 80 %, insbesondere zu wenigstens 90 % und optional vollständig aus organischem Material.
Das organische Material kann dabei ein einziger Stoff sein, aber auch eine Mischung, beispielsweise aus verschiedenen organischen Naturmaterialien, verschiedenen Polymeren oder auch aus einer Mischung von organischen Naturmaterialien mit einem oder mehreren Polymeren.
Das organische Material sollte jedoch eine Temperaturbeständigkeit bis wenigstens 180 °C aufweisen, und vorzugsweise über mehrere Stunden derartigen Temperaturen standhalten.
Neben dem organischen Material kann das elastische Ausgleichselement ein geeignetes Funktionsmaterial auf anorganischer Basis umfassen, z.B. ein Füllmaterial wie etwa Fasern oder Luft.
In einer möglichen Variante wird das elastische Ausgleichselement in Form einer Matte bereitgestellt. Die Matte kann vor dem Verbauen in der thermoelektrischen Generatoreinheit eine gleichförmige Dicke haben, sodass sie als Flächenmaterial hergestellt werden kann und nur auf die benötigten Maße zugeschnitten werden muss.
Es ist jedoch auch möglich, dass das elastische Ausgleichselement eine bauteilangepassten Form mit variierender Dicke aufweist, wobei es diese Form vor der Montage des elastischen Ausgleichselement in der thermoelektrischen Generatoreinheit erhält. Die Formgebung kann beispielsweise durch ein dreidimensionales Ausschneiden aus einem Blockmaterial erfolgen, aber auch durch herkömmliche bekannte Spritz-, Guß-, Press- oder Schäumprozesse in entsprechenden Werkzeugformen.
Auf diese Weise lassen sich auch elastische Ausgleichselemente mit komplexen Außengeometrien einfach fertigen, sodass auf kostengünstige Weise eine sehr homogene Anpresskraft auf die thermoelektrischen Module erzielt und so die Energieausbeute sowie die Lebensdauer der thermoelektrischen Generatoreinheit erhöht werden kann.
Geeignete Materialien für diese Fertigungsweise sind beispielsweise Kork oder Elastomere. Aus diesen Materialien lassen sich auch auf einfache Weise formstabile dreidimensionale Körper mit variabler Dicke und bauteilangepassten Konturen vorfertigen.
Das elastische Ausgleichselement kann einstückig ausgebildet sein, es lässt sich aber auch aus mehreren Einzelteilen zusammensetzen, was die Fertigung von elastischen Ausgleichselementen mit komplexen Formen erleichtert.
Das elastische Ausgleichselement kann auch einen ausgehärteten Schaum umfassen, der einen Raumbereich innerhalb des Außengehäuses ausfüllt.
In einer möglichen Variante ist das thermoelektrische Ausgleichselement vor der Montage in der thermoelektrischen Generatoreinheit in einer Schäumform vorgefertigt und wird vollständig ausgehärtet verbaut. Hierbei ist auch das Zusammensetzen des elastischen Ausgleichselements aus mehreren Einzelteilen möglich.
In einer anderen Variante wird das organische Material des elastischen Ausgleichselements in fließfähiger Form, optional als Schaum, in das Außengehäuse eingebracht, füllt dort den zur Verfügung stehenden Raum aus, und härtet in dieser Gestalt aus. Auf diese Weise wird dauerhaft eine sehr homogene Anpresskraft und eine gute Fixierung der thermoelektrischen Module im Außengehäuse erreicht.
Das elastische Ausgleichselement lässt sich beispielsweise an der Innenseite des Außengehäuses anordnen, wo es eine Klemmkraft zwischen dem Außengehäuse und den im Inneren des Außengehäuses angeordneten Komponenten der thermoelektrischen Generatoreinheit erzeugt. An dieser Position bewirkt das elastische Ausgleichselement gleichzeitig eine thermische und akustische Isolierung zur Umgebung der Abgasanlage. Außerdem tritt an dieser Stelle die geringste Temperaturbelastung auf, sodass die Temperaturen normalerweise unterhalb der Grenztemperaturen der organischen Naturmaterialien liegen.
Das Außengehäuse kann Strukturen aufweisen, insbesondere Rippen, Erhebungen oder Vertiefungen. Das elastische Ausgleichselement liegt bevorzugt im Bereich der Strukturen flächig an der Innenseite des Außengehäuses an.
Dies kann mit einem elastischen Ausgleichselement mit einer gleichförmigen Ausgangsdicke erreicht werden, indem das elastische Ausgleichselement bei der Montage abschnittsweise stärker komprimiert wird, um den Strukturen folgen zu können. Mit organischen Naturmaterialien, aber auch mit Elastomeren, lässt sich beispielsweise einfach für das elastische Ausgleichselement die notwendige Flexibilität und Elastizität erreichen, um eine ausreichende Anpassungsfähigkeit an die Strukturen des Außengehäuses dauerhaft und unter Erhalt der elastischen Eigenschaften zu erreichen.
Alternativ kann das elastische Ausgleichselement aber wie oben beschrieben auch in einer komplexen dreidimensionalen Form vorgefertigt sein, die in einem Abschnitt ihrer Oberfläche die Geometrie der Innenseite des Außengehäuses abbildet. In diesem Fall ist die Kompressionskraft auf das elastische Ausgleichselement durch das Außengehäuse an jedem Punkt der Kontaktfläche zur Innenseite des Außengehäuses im Wesentlichen gleich, sodass eine sehr homogene Anpresskraft über die Fläche des elastischen Ausgleichselements auf die thermoelektrischen Module übertragen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zur Erhöhung des Temperaturgradienten wenigstens ein zweiter, von einem kalten Fluid durchströmter Innenkanal innerhalb des Außengehäuses vorgesehen, der in thermischem Kontakt mit einer Kaltseite des thermoelektrischen Moduls ist. Dieser zweite Innenkanal kann in Strömungsverbindung mit einem Kühlkreislauf sein, der beispielsweise Teil eines generellen Kühlkreislaufs des Fahrzeugs ist. Auf diese Weise lässt sich der Temperaturgradient und damit die Ausbeute an elektrischer Energie maximieren.
Jeder der Innenkanäle besteht vorzugsweise aus einem eigenen Rohr, beispielsweise einem Metallrohr, sodass sich die Kanäle der thermoelektrischen Generatoreinheit kostengünstig fertigen lassen. Alternativ wäre es auch möglich, die Kanäle in speziell geformten Elementen, etwa aus einer Sinterkeramik, zu realisieren.
Der thermische Kontakt mit dem Innenkanal kann dadurch erfolgen, dass das thermoelektrische Modul unmittelbar die Kanalwandung des jeweiligen Innenkanals kontaktiert. Genauso ist es möglich, dass die Kanalwandung im Bereich des thermoelektrischen Moduls eine Öffnung aufweist und das thermoelektrische Modul in den Kanal hineinragt, sodass seine Heiß- bzw. Kaltseite in direktem Kontakt mit dem den Innenkanal durchströmenden Fluid ist.
Alternativ oder zusätzlich dazu, das elastische Ausgleichselement an der Innenseite des Außengehäuses zu platzieren, kann auch ein elastisches Ausgleichselement zwischen zwei Innenkanälen angeordnet sein. Vorzugsweise ist das elastische Ausgleichselement direkt in Kontakt mit den Wandungen der beiden nebeneinanderliegenden Innenkanäle. Hierbei ist es günstig, wenn die beiden Innenkanäle jeweils von einem kalten Fluid durchströmt werden, um die Temperaturbelastung für das organische Naturmaterial möglichst gering zu halten.
Die Erfindung betrifft ferner ein Abgassystem, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit. Das Außengehäuse weist einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass auf, der zum bzw. der vom Innenkanal verläuft.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit als Teil eines erfindungsgemäßen Abgassystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit als Teil eines erfindungsgemäßen Abgassystems gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit als Teil eines erfindungsgemäßen Abgassystems gemäß einer dritten Ausführungsform;
4 eine schematische, perspektivische Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit als Teil eines erfindungsgemäßen Abgassystems gemäß einer vierten Ausführungsform; und
5 eine schematische Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit als Teil eines erfindungsgemäßen Abgassystems gemäß einer fünften Ausführungsform.
1 zeigt einen Querschnitt durch eine thermoelektrische Generatoreinheit 100 gemäß einer ersten Ausführungsform, die Teil eines Fahrzeug-Abgassystems ist.
In einem metallischen Außengehäuse 102, das hier aus zwei Halbschalen zusammengesetzt ist, ist ein Rohr 104 aufgenommen. Das Rohr 104 wird so mit einer (nicht dargestellten) Abgasleitung im Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine verbunden, dass das Abgas, das ein heißes Fluid H bildet, durch einen im Inneren des Rohrs 104 gebildeten ersten Innenkanal 106 strömt. Die Wand des Rohrs 104 bildet gleichzeitig eine Kanalwandung 108, die den Innenkanal 106 begrenzt.
Das Rohr 104 ist hier an zwei gegenüberliegenden Seiten abgeflacht ausgebildet, sodass jeweils eine ebene Anlagefläche 110 außen an der Kanalwandung 108 bereitgestellt ist. Entlang dieser ebenen Anlageflächen 110 sind auf beiden Seiten des Rohrs 104 jeweils mehrere flache, bekannte thermoelektrische Module 112 angeordnet, die mit ihrer Heißseite S_H in diesem Beispiel direkt auf der Außenseite des Rohrs 104, also direkt auf der Kanalwandung 108, aufliegen.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform weist die Kanalwandung 108 Öffnungen auf, durch die die Heißseiten S_H der thermoelektrischen Module 112 hindurchragen, sodass diese Heißseiten S_H direkt in Kontakt mit dem heißen Abgasstrom im Inneren des ersten Innenkanals 106 sind.
In jedem der thermoelektrischen Module 112 ist auf bekannte Weise eine Anzahl von einzelnen thermoelektrischen Elementen aus verschiedenen, geeigneten Materialpaarungen angeordnet. Das jeweilige thermoelektrische Modul 112 ist durch ein Gehäuse gegenüber der Umgebung gekapselt. Jedes thermoelektrische Modul 112 kann daher als separate Baueinheit in der thermoelektrischen Generatoreinheit 100 verbaut werden.
Die einzelnen thermoelektrischen Module 112 sind elektrisch miteinander verbunden, und die in ihnen erzeugte elektrische Spannung kann über nicht dargestellte, bekannte Anschlussleitungen abgegriffen werden.
Vorzugsweise ist die gesamte ebene Fläche 110 auf beiden Seiten des Rohrs 104 im Wesentlichen vollständig mit thermoelektrischen Modulen 112 bedeckt, um die Ausbeute an elektrischer Energie zu maximieren.
Auf der der Heißseite S_H entgegengesetzten Kaltseite S_K der thermoelektrischen Module 112 liegt zwischen dem thermoelektrischen Modul 112 und der Innenseite 114 des Außengehäuses 102 ein elastisches Ausgleichselement 116.
Das elastische Ausgleichselement 116 besteht zu wenigstens 60% und beispielsweise zu wenigstens 80%, zu wenigstens 90% oder vollständig aus einem organischen Material. Das organische Material ist in einer ersten Variante ein organisches Naturmaterial, hier ein Material auf tierischer oder pflanzlicher Basis. In einer zweiten Variante ist das organische Material ein Kohlenstoffatome enthaltendes Polymer.
Als organisches Naturmaterial kommt für alle Ausführungsformen insbesondere Kork infrage. Aber auch andere Materialien, beispielsweise Fasermaterialien, können verwendet werden Zu nennen sind hier etwa: Flachs, Hanf, Gras, Bambusfasern, Bast, Jute, Sisal, Kenaf, Abacáfasern, Kokosfasern, tierische Wolle, Seegras, Holzfasern, Baumwolle oder Kapok. Auch eine Mischung dieser Stoffe oder eine Mischung anderer Materialien mit diesen Stoffen kann verwendet werden. Gegebenenfalls werden die organischen Naturmaterialien mit einem Stoff behandelt, der ihre thermische Stabilität erhöht, beispielsweise mit einem flammhemmenden Material getränkt.
Als Polymer finden beispielsweise Hochtemperatur-Silikone oder Elastomere Verwendung. Polymere können auch in geschäumter Form eingesetzt werden, hier bieten sich z.B. Polyurethane und geeignete Thermoplaste an.
Organische Naturmaterialien und Polymere lassen sich auch gemischt verwenden.
Es hat sich herausgestellt, dass Ausgleichselemente 116 mit einem hohen Anteil an organischen Materialien problemlos für längere Zeit einer Temperatur von bis zu 180 °C widerstehen können, ohne ihre strukturellen oder elastischen Eigenschaften einzubüßen.
Generell empfiehlt es sich aber, das elastische Ausgleichselement 116 an den Stellen im Inneren des Außengehäuses 102 anzuordnen, an denen die geringste Temperaturbelastung vorherrscht.
Eine mögliche derartige Stelle ist die in 1 gezeigte Anordnung direkt an der Innenseite 114 des Außengehäuses 102.
Das elastische Ausgleichselement 116 weist eine gewisse Eigenelastizität auf und ist in einem komprimierten Zustand im Inneren des Außengehäuses 102 verbaut, um eine so hohe Klemmkraft auf die thermoelektrischen Module 112 und das Rohr 104 auszuüben, dass diese im Inneren des Außengehäuses 102 unverschieblich gehalten werden. Die einzelnen Komponenten, insbesondere das Rohr 104, können auch noch punktuell am Außengehäuse 102 befestigt sein, je nach Ausbildung des elastischen Ausgleichselements 116 kann auf eine zusätzliche Befestigung aber auch verzichtet werden.
Bei der in 1 gezeigten Ausführung sind zwei elastische Ausgleichselemente vorgesehen, die in der Figur jeweils oberhalb und unterhalb des Rohrs 104 an der Innenseite 114 des Außengehäuses 102 angeordnet sind. Es wäre natürlich aber auch möglich, nur ein einziges elastisches Ausgleichselement 116 zu verwenden und die Baugruppe aus dem Rohr 104 und den daran angeordneten thermoelektrischen Modulen 112 mit dem elastischen Ausgleichselement 116 zu umwickeln.
Das elastische Ausgleichselement 116 hat hier die Form einer dünnen, flexiblen Matte, ist also ein flächiges Gebilde, das eine deutlich größere Erstreckung in seiner Längs- und Querrichtung hat, als es dick ist.
Bei der Fertigung der thermoelektrischen Generatoreinheit 100 wird das elastische Ausgleichselement 116 in einer ersten Variante aus einer Bahn mit gleichmäßiger Dicke zugeschnitten, und dieser Zuschnitt wird zwischen der Innenseite 114 des Außengehäuses 102 und der Kaltseite S_K der thermoelektrischen Module 112 angeordnet. Dabei kann sich das elastische Ausgleichselement 116 so verformen, dass es eventuell vorgesehene Strukturen an der Innenseite 114 des Außengehäuses 102 (siehe auch 4) oder an der Kaltseite S_K der thermoelektrischen Module 112 ausgleicht und diesen folgt. Bei der Montage wird das elastische Ausgleichselement 116 in einem gewissen Maß komprimiert, sodass aufgrund der elastischen Eigenschaften des elastischen Ausgleichselements 116 eine Vorspannung aufgebaut wird, die eine dauerhafte Klemmkraft auf die Baugruppe aus den thermoelektrischen Modulen 112 und dem Rohr 104 ausübt.
In einer zweiten Variante wird das elastische Ausgleichselement 116 in einer komplexen, dreidimensionalen Form mit entlang seiner Erstreckung variierenden Abmessungen vorgefertigt und in das Außengehäuse 102 eingesetzt. Dabei bildet die zur Innenseite 114 des Außengehäuses 102 gerichtete Außenseite des elastischen Ausgleichselements 116 die Geometrie der Innenseite 114 ab, sodass eine kontinuierliche Anlagefläche zwischen der Innenseite 114 des Außengehäuses 102 und der Außenseite des elastischen Ausgleichselements 116 entsteht.
Die zu den thermoelektrischen Modulen 112 oder, in den nachfolgenden Ausführungsformen zu den Innenkanälen 106 gerichtete Seite ist hingegen vorzugsweise eben ausgeführt, um flach an den ebenfalls ebenen Außenseiten der thermoelektrischen Module 112 bzw. Innenkanäle 106 anzuliegen.
Die auf das elastische Ausgleichselement 116 wirkende Kompressionskraft ist in diesem Fall über das elastische Ausgleichselement 116 sehr homogen und variiert nur wenig.
Diese Variante findet insbesondere Anwendung, wenn das Außengehäuse 102 mit Strukturen versehen ist, wie dies beispielsweise in der in 4 gezeigten Ausführungsform der Fall ist.
In einer dritten Variante entsteht das elastische Ausgleichselement 116 durch das Aushärten eines Polymerschaumes im Inneren des Außengehäuses 102.
In diesem Fall wird ein fließfähiges Schaummaterial aus einem Polymer, beispielweise aus Polyurethan, in einen vorbestimmten Bereich des Außengehäuses 102 eingebracht, wo der Schaum zu dem elastischen Ausgleichselement 116 aushärtet. Es ist möglich, dass sich im Verlauf dieses Ausschäumens das Volumen des Schaumes noch erhöht.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden bei der Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsformen jeweils für die bereits eingeführten Bauteile, die in gleicher oder nur wenig veränderter Form auch in den anderen Ausführungsformen vorhanden sind, die bereits bekannten Bezugszeichen beibehalten.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer thermoelektrischen Generatoreinheit 200. Dieses ist ein einem Längsschnitt gezeigt, sodass hier auch Verbindungsstutzen 218 an beiden Längsenden zur Verbindung mit der Abgasleitung zu sehen sind. Derartige Verbindungsstutzen sind auch bei den thermoelektrischen Generatoreinheiten der anderen Ausführungsformen vorgesehen. Der linke Verbindungsstutzen 218 definiert einen Einlass und der rechte einen Auslass für Abgas. Alle in den Figuren gezeigten Außengehäuse 102 weisen einen Einlass und einen Auslass für Abgas auf, der zum wenigstens einen Innenkanal 106 führt bzw. von ihm wegführt.
Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist hier jeweils auf den Kaltseiten S_K der thermoelektrischen Module 112 ein zweiter Innenkanal 220 angeordnet, der von einem kalten Fluid K durchströmt wird, das beispielsweise von einem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine oder einer Klimaanlage des Fahrzeugs geliefert wird. Die zweiten Innenkanäle 220 sind hier wie der erste Innenkanal 106 jeweils von einem separaten Rohr gebildet.
Das elastische Ausgleichselement 116 ist in diesem Beispiel vollständig um die Baugruppe aus den die Innenkanäle 106, 220 bildenden Rohren sowie den zwischen diesen liegenden thermoelektrischen Modulen 112 herumgewickelt und ist zwischen den Außenseiten der die zweiten Innenkanäle 220 bildenden Rohre sowie der Innenseite des Außengehäuses 102 geklemmt, wie dies in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer thermoelektrischen Generatoreinheit 300.
In diesem Beispiel ist das elastische Ausgleichselement 116 nicht an der Innenseite des Außengehäuses 102 angeordnet, sondern liegt in der Mitte des Außengehäuses 102 zwischen zwei zweiten Innenkanälen 220, die kaltes Fluid K führen. Auch an dieser Stelle innerhalb der thermoelektrischen Generatoreinheit 300 ist die Temperaturbelastung für das elastische Ausgleichselement 116 vergleichsweise gering. Die Wandungen aller Innenkanäle 106, 220 sind hier auch an der zum elastischen Ausgleichselement 116 gerichteten Seite abgeflacht, und diese Flachseiten 110 sind parallel zueinander ausgerichtet.
Das elastische Ausgleichselement 116 kann auch in diesem Beispiel eine flache Matte sein, die in etwa die Abmessung der Flachseite 110 des zweiten Innenkanals 220 hat.
In diesem Beispiel ist es aber auch möglich, das elastische Ausgleichselement 116 durch Einbringen eines schaumförmigen organischen Materials, beispielsweise eines Polyurethan-Schaumes, herzustellen, der im Inneren des Außengehäuses 102 aushärtet und der die nötige Elastizität aufweist, um eine dauerhafte Anpresskraft auf die Komponenten des thermoelektrischen Generators 300 auszuüben.
Insgesamt sind hier vier Gruppen von thermoelektrischen Modulen 112 vorgesehen, die an zwei ersten Innenkanälen 106 angeordnet sind, die heißes Fluid H führen. Die thermoelektrischen Module 112 sind jeweils zwischen einem ersten und einem zweiten Innenkanal 106, 220 positioniert, sodass die Heißseite S_H jeweils in Kontakt mit der Wandung des ersten Innenkanals 106 und die Kaltseite S_K jeweils in Kontakt mit der Wandung des zweiten Innenkanals 220 ist. Auch hier könnten natürlich die Innenkanäle 106, 220 so gestaltet sein, dass die thermoelektrischen Module 112 in diese hineinragen und in direktem Kontakt mit dem heißen oder kalten Fluid H, K sind.
Die Klemmkraft, die die Baugruppe aus den die Innenkanäle 106, 220 bildenden Rohren sowie die thermoelektrischen Module 112 im Außengehäuse 102 geklemmt hält, kann vollständig z.B. durch ein mit Untermaß hergestelltes Außengehäuse 102 und ein dadurch komprimiertes, elastisches Ausgleichselement 116 aufgebracht werden. Zusätzlich könnte aber auch wenigstens ein elastisches Ausgleichselement 116 z.B. an der Innenseite des Außengehäuses 102 vorgesehen sein.
In diesem Beispiel ist die Baugruppe in der 3 oberhalb des elastischen Ausgleichselements 116 spiegelbildlich zu der Baugruppe unterhalb ausgebildet. Andere Gestaltungen sind natürlich auch denkbar.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer thermoelektrischen Generatoreinheit 400. Die Konstruktion ist ähnlich der Ausführungsform nach 2, wobei ein elastisches Ausgleichselement 116 komplett entlang der Innenseite des Außengehäuses 102 entlang verläuft und eine Baugruppe aus einem Rohr 104 sowie zwei Rohren, die jeweils einen zweiten Innenkanal 220 bilden, umschließt. Zwei Gruppen von thermoelektrischen Modulen 112 sind jeweils auf den Flachseiten des Rohrs 104 angeordnet und sind mit ihren Heißseiten in Kontakt mit der Wandung des Rohrs 104 und mit ihren Kaltseiten S_K in Kontakt mit der Wandung der zweiten Innenkanäle 220, die von Kühlflüssigkeit durchflossen sind.
4 zeigt auch eine Möglichkeit, im Außengehäuse 102 Anschlüsse 422 für die Zu- und Ableitung des kalten Fluids K für die zweiten Innenkanäle 220 auszubilden.
Als Besonderheit ist hier das Rohr 104 unterteilt, sodass ein Bypasskanal 424 gebildet ist, der zwischen zwei ersten Innenkanälen 106 liegt. Die Wandung 108 des Rohrs 104 umschließt beide erste Innenkanäle 106 sowie einen Bypasskanal 424. Wird beispielsweise die Temperaturbelastung für die thermoelektrischen Module 112 im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zu hoch, so kann auf nichtgezeigte Weise der Abgasstrom so geschaltet werden, dass zumindest ein Großteil des Abgases durch den Bypasskanal 424 strömt und so die thermoelektrischen Module 112 thermisch entlastet werden.
Zur besseren Wärmeaufnahme sind in diesem Beispiel Rippen 426 in den ersten Innenkanälen 106 ausgebildet, die die Wärme des Abgases aufnehmen und an die Wandung 108 des Rohrs 104 und somit an die Heißseite S_H der thermoelektrischen Module 112 weiterleiten.
Das Außengehäuse 102 hat in dieser Ausführungsform einen ovalen Querschnitt.
Außerdem weist das Außengehäuse 102 in diesem Beispiel mehrere stabilisierende Strukturen 428 in Form von Querrippen auf. Aufgrund seiner Eigenelastizität passt sich das elastische Ausgleichselement 116 an diese Strukturen 428 an. Es kann also auch in diesem Fall ein ursprünglich flaches elastisches Ausgleichselement 116 verwendet werden, das vor der Montage eine gleichförmige Dicke hat.
In einer nicht dargestellten Variante ist das elastische Ausgleichselement 116 als dreidimensionales Formteil vorgefertigt, dessen zur Innenseite 114 des Außengehäuses 102 gerichtete Seite dem Verlauf der Strukturen 428 folgt.
Als organisches Material bietet sich hier beispielsweise Kork an, der in einem Pressverfahren in die gewünschte Form gebracht werden kann. Auch die Verwendung eines Elastomers, das beispielsweise spritzgegossen werden kann oder eines Hartschaums, der vor der Montage in einer Schaumform aushärtet, ist denkbar.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform sind die zweiten Innenkanäle 220 nur auf der zu den thermoelektrischen Modulen 112 gerichteten Seite flach ausgebildet, auf der zum Außengehäuse 102 weisenden Seite folgen sie jedoch dem ovalen Querschnitt des Gehäuses. Es wäre möglich, auch die zweiten Innenkanäle 220 mit einem rechteckigen Querschnitt auszubilden und stattdessen das elastische Ausgleichselement 116 mit einem halbovalen Querschnitt, sodass es eine flache Seite aufweist, die dann zur Außenseite der zweiten Innenkanäle 220 gerichtet ist, sowie eine gewölbte, dem Verlauf der Innenseite 114 des Außengehäuses 102 folgende Seite.
5 schließlich zeigt eine fünfte Ausführungsform einer thermoelektrischen Generatoreinheit 500.
Auch hier ist ein Außengehäuse 102 vorgesehen, entlang dessen Innenseite 114 ein elastisches Ausgleichselement 116 verläuft. Wie bei der vierten Ausführungsform ist das Außengehäuse 102 oval gestaltet.
Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsformen, bei der die Innenkanäle 106, 220 parallel zur langen Achse der ovalen Querschnittsfläche verlaufen, sind hier die Innenkanäle 106, 220 parallel zur kurzen Achse ausgerichtet. Entsprechend ist eine größere Anzahl von Innenkanälen 106, 220 vorgesehen, wobei sich jeweils erste und zweite Innenkanäle 106, 220 abwechseln. An den schmalen Seiten des Außengehäuses 102 liegt dabei jeweils ein kaltes Fluid K führender zweiter Innenkanal 220. Sämtliche Innenkanäle 106, 220 sind hier durch einzelne Rohre 528 gebildet. Zwischen den einzelnen Rohren 528 liegen jeweils ein oder mehrere thermoelektrische Module 112.
Die Baugruppe aus Rohren 528 und thermoelektrischen Modulen 112 ist von dem elastischen Ausgleichselement 116 umwickelt und wird durch dessen elastische Klemmkraft im Außengehäuse 102 zusammengehalten.
Das Außengehäuse 102 kann stets beispielsweise aus zwei Halbschalen zusammengesetzt sein, die entlang der langen Achse oder entlang der kurzen Achse geteilt sein können. Das Außengehäuse 102 kann natürlich in allen Varianten auch gewickelt sein. Ferner ist es möglich, als Außengehäuse 102 ein geschlossenes Rohr zu verwenden, in das die dargestellten Teile wie Rohre, Ausgleichselemente und Module als vormontierte Gesamteinheit axial eingeführt und gestopft werden. Die die Innenkanäle 106, 220 bildenden Rohre können in allen Ausführungsformen mit einem rechteckigen Querschnitt ausgeführt sein. Generell können sämtliche Merkmale der einzelnen Ausführungsformen im Ermessen des Fachmanns miteinander kombiniert oder gegeneinander ausgetauscht werden. Das elastische Ausgleichselement 116 besteht jedoch stets zu wenigstens 60% aus einem organischen Material.

Claims

Thermoelektrische Generatoreinheit, insbesondere für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Außengehäuse (102), in dem wenigstens ein mit einem heißen Fluid (H) durchströmter erster Innenkanal (106) angeordnet ist, und mit wenigstens einem thermoelektrischen Modul (112), das an einer Heißseite (S_H) in thermischem Kontakt mit dem ersten Innenkanal (106) ist, wobei innerhalb des Außengehäuses (102) wenigstens ein elastisches Ausgleichselement (116) angeordnet ist, das so ausgebildet ist, dass es eine auf das thermoelektrische Modul (112) wirkende Klemmkraft erzeugt, wobei das elastische Ausgleichselement (116) zu wenigstens 60% aus organischem Material besteht.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material ein organisches Naturmaterial umfasst.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Naturmaterial aus der Gruppe der Stoffe: Kork, Flachs, Hanf, Gras, Bambusfasern, Bast, Jute, Sisal, Keraf, Abacáfasern, Kokosfasern, Wolle, Seegras, Holzfasern, Baumwolle, Kapok oder einer Mischung aus oder mit diesen Stoffen ausgewählt ist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Naturmaterial mit einem Stoff behandelt ist, der dessen thermische Stabilität erhöht.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material ein Polymer umfasst.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein Hochtemperatur-Silikon, ein Elastomer oder ein Polyurethan ist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Ausgleichselement zu wenigstens 80%, insbesondere zu wenigstens 90% aus dem organischen Material besteht.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material eine Temperaturbeständigkeit bis wenigstens 180°C aufweist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Ausgleichselement (116) eine Matte, insbesondere mit gleichförmiger Dicke, ist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Ausgleichselement (116) eine bauteilangepasste Form mit variierender Dicke aufweist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Ausgleichselement (116) einen ausgehärteten Schaum umfasst, der einen Raumbereich innerhalb des Außengehäuses (102) ausfüllt.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Ausgleichselement (116) an der Innenseite (114) des Außengehäuses (102) angeordnet ist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse (102) Strukturen (428), insbesondere Rippen, Erhebungen oder Vertiefungen, aufweist, und das elastische Ausgleichselement (116) im Bereich der Strukturen (428) an der Innenseite (114) des Außengehäuses (102) anliegt.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweiter, von einem kalten Fluid (K) durchströmter Innenkanal (220) innerhalb des Außengehäuses (102) vorgesehen ist und eine Kaltseite (S_K) des thermoelektrischen Moduls (112) in thermischem Kontakt mit dem zweiten Innenkanal (220) ist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Modul (112) unmittelbar eine Kanalwandung (108) eines Innenkanals (106, 220) kontaktiert oder dass das thermoelektrische Modul (112) in den Innenkanal (106, 220) hineinragt und in direktem Kontakt mit dem durchströmenden Fluid (H, K) ist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Ausgleichselement (116) zwischen zwei Innenkanälen (106, 220) angeordnet ist.
Abgassystem, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer thermoelektrischen Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Außengehäuse (102) einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass aufweist, die in Fluidverbindung mit dem Innenkanal (106) stehen.