DE102021211956A1

DE102021211956A1 - Wärmerückgewinnungsapparat und wärmerückgewinnungssystem

Info

Publication number: DE102021211956A1
Application number: DE102021211956.5A
Authority: DE
Inventors: Makoto Yoshihara; Ryushiro Akaishi; Tatsuo Kawaguchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-01-07
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2022-07-07
Also published as: CN114738080A; US20220213827A1; JP2022106591A; US11629626B2

Abstract

Eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 umfassend: eine Wabenstruktur 10 mit einer äußeren Umfangswand 15, die mindestens eine ebene äußere Umfangsfläche aufweist, und mit Trennwänden 14, die an einer Innenseite der äußeren Umfangswand 15 angeordnet sind, wobei die Trennwände 14 eine Vielzahl von Zellen 13 bilden, die sich jeweils von einer ersten Endfläche 11 zu einer zweiten Endfläche 12 erstrecken, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden; ein thermoelektrisches Umwandlungselement 20, das derart angeordnet ist, dass es der ebenen äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 gegenüberliegt; ein zylindrisches Element 30, das die Wabenstruktur 10, in der das thermoelektrische Umwandlungselement 20 angeordnet ist, in Umfangsrichtung abdeckt; ein Gehäuse 40, das in einem Abstand angeordnet ist, um einen Strömungsweg für ein zweites Fluid zu bilden, wobei das Gehäuse 40 an einer radialen Außenseite des zylindrischen Elements 30 angeordnet ist; und ein Druckelement 50, das derart gestaltet ist, dass es das zylindrische Element 30 gegen das thermoelektrische Umwandlungselement 20 drückt. Das zylindrische Element 30 hat einen oder mehrere geschlitzte Abschnitte 31.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung und ein Wärmerückgewinnungssystem.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In jüngster Zeit besteht Bedarf daran, die Treibstoffökonomie von Kraftfahrzeugen zu verbessern. Insbesondere wird ein System erwartet, das Kühlwasser, Automatikgetriebeflüssigkeit und dergleichen frühzeitig aufwärmt, um Reibungsverluste zu reduzieren und eine Verschlechterung der Treibstoffökonomie bei kaltem Motor, z. B. beim Anlassen des Motors, zu verhindern. Ferner wird ein System erwartet, das einen Abgasreinigungskatalysator erwärmt, um den Katalysator bereits frühzeitig zu aktivieren.
Ein solches System ist beispielsweise ein Wärmetauscher. Der Wärmetauscher ist eine Vorrichtung, die ein Element zum Austausch von Wärme aufweist (ein Wärmetauschelement), in dem ein erstes Fluid hinein und ein zweites Fluid hinaus fließen kann. Durch einen solchen Wärmetauscher kann die Wärme beispielsweise effektiv genutzt werden, indem die Wärme von dem ersten Fluid mit einer höheren Temperatur (z. B. einem Abgas) an das zweite Fluid mit einer niedrigeren Temperatur (z. B. Kühlwasser) übertragen wird.
Bei anderen bekannten Techniken zur Verbesserung einer Kraftstoffeffizienz wird zur Rückgewinnung von Wärmeenergie in den Kraftfahrzeugabgasen diese in elektrische Energie umgewandelt, die dann effektiv zum Laden von Batterien und zum Antrieb elektrischer Komponenten genutzt wird.
In der Patentliteratur 1 wird zum Beispiel eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung vorgeschlagen, umfassend: eine säulenförmige Wabenstruktur, die eine äußere Umfangswand mit mindestens einer ebenen, äußeren Umfangsfläche und eine Vielzahl von innerhalb der äußeren Umfangswand angeordneten Trennwänden aufweist, wobei die Trennwände eine Vielzahl von Zellen bilden, die jeweils von einer ersten Endfläche durch bis zu einer zweiten Endfläche dringen, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden; ein thermoelektrisches Umwandlungselement (thermoelektrisches Umwandlungsmodul), das an der ebenen äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand angeordnet ist; ein zylindrisches Element, das die Wabenstruktur, an der das thermoelektrische Umwandlungselement angeordnet ist, in Umfangsrichtung abdeckt; und ein Gehäuse, das das zylindrische Element in Umfangsrichtung abdeckt, wobei ein Strömungsweg für ein zweites Fluid zwischen einer inneren Umfangsfläche des Gehäuses und einer äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Elements ausgebildet ist. Ferner wird in der Patentliteratur 1 vorgeschlagen, dass das zylindrische Element durch Schrauben, die von der äußeren Umfangsseite des Gehäuses aus eingesetzt werden, oder durch Federn, die jeweils zwischen dem Gehäuse und dem zylindrischen Element angeordnet sind, unter Spannung gesetzt wird.
REFERENZENLISTE
Patentliteratur
[Patentliteratur 1] WO 2019/026560 A1
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Die in der Patentliteratur 1 beschriebene Wärmerückgewinnungsvorrichtung eignet sich gut, um Abwärme effektiv zu nutzen, weist allerdings das Problem auf, dass die elektrische Leistung allmählich abnimmt, wenn das erste Fluid bei einer erhöhten Temperatur (z. B. 700 °C) zirkuliert.
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die oben genannten Probleme zu lösen. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung und ein Wärmerückgewinnungssystem bereitzustellen, die ein Abfallen der abgegebenen elektrischen Energie unterdrücken können.
Mittel zur Lösung des Problems
Die oben genannten Probleme werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, wie nachfolgend beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist wie folgt anzugeben:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung, umfassend:

eine Wabenstruktur mit einer äußeren Umfangswand, die mindestens eine ebene äußere Umfangsfläche aufweist, und mit Trennwänden, die auf einer Innenseite der äußeren Umfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände eine Vielzahl von Zellen bilden, die sich jeweils von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstrecken, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden;
ein thermoelektrisches Umwandlungselement, das an der ebenen äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand angeordnet ist;
ein zylindrisches Element, das die Wabenstruktur, in der das thermoelektrische Umwandlungselement angeordnet ist, in Umfangsrichtung abdeckt;
ein Gehäuse, das in einem Abstand angeordnet ist, um einen Strömungsweg für ein zweites Fluid zu bilden, wobei das Gehäuse an einer radialen Außenseite des zylindrischen Elements angeordnet ist; und
ein Druckelement, das derart gestaltet ist, dass es das zylindrische Element gegen das thermoelektrische Umwandlungselement drückt,
wobei das zylindrische Element einen oder mehrere geschlitzte Abschnitte aufweist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung, umfassend:

eine Wabenstruktur mit einer äußeren Umfangswand, die mindestens eine ebene äußere Umfangsfläche ausweist, und mit Trennwänden, die auf einer Innenseite der äußeren Umfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände eine Vielzahl von Zellen bilden, die sich jeweils von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstrecken, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden;
ein thermoelektrisches Umwandlungselement, das derart angeordnet ist, dass es der ebenen äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand gegenüberliegt;
ein zylindrisches Element, das die Wabenstruktur, in der das thermoelektrische Umwandlungselement angeordnet ist, in Umfangsrichtung abdeckt;
ein Gehäuse, das in einem Abstand angeordnet ist, um einen Strömungsweg für ein zweites Fluid zu bilden, wobei das Gehäuse an einer radialen Außenseite des zylindrischen Elements angeordnet ist;
ein Druckelement, das derart gestaltet ist, dass es das zylindrische Element gegen das thermoelektrische Umwandlungselement drückt; und
ein Pufferelement, das zwischen dem zylindrischen Element und dem thermoelektrischen Umwandlungselement angeordnet ist, wobei das Pufferelement in Kontakt mit einer Innenfläche des zylindrischen Elements steht.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Wärmerückgewinnungssystem, umfassend:

eine Einwegleitung für ein erstes Fluid;
eine Zirkulationsleitung für ein zweites Fluid, das eine niedrigere Temperatur aufweist als das ersten Fluid;
eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung, die in der Mitte der Einwegleitung für das erste Fluid und der Zirkulationsleitung für das zweite Fluid angeordnet ist; und
eine Batterie, die elektrisch mit der Wärmerückgewinnungsvorrichtung gekoppelt ist, wobei die Batterie die von der Wärmerückgewinnungsvorrichtung erzeugte Elektrizität speichert.

Auswirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung und ein Wärmerückgewinnungssystem bereitzustellen, die ein Abfallen der abgegebenen elektrischen Energie unterdrücken können.
Figurenliste

1 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung eines Aufbaus einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung in einem zu einer axialen Richtung (einer Zellausdehnungsrichtung) einer Wabenstruktur parallelem Querschnitt;
2 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung eines Aufbaus einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung in einem zu einer axialen Richtung (einer Zellausdehnungsrichtung) einer Wabenstruktur orthogonalem Querschnitt;
3 zeigt eine schematische Ansicht, die einen Zusammenhang zwischen einem Druckpunkt und einem geschlitzten Abschnitt zeigt;
4 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung eines Aufbaus einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung in einem zu einer axialen Richtung (einer Zellausdehnungsrichtung) einer Wabenstruktur parallelem Querschnitt;
5 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung eines Aufbaus einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung in einem zu einer axialen Richtung (einer Zellausdehnungsrichtung) einer Wabenstruktur orthogonalem Querschnitt; und
6 zeigt ein Anordnungsbeispiel eines Wärmerückgewinnungssystems gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, und dass auch diejenigen Ausführungsformen in den Bereich der Erfindung fallen, die durch in geeigneter Weise hinzugefügte, auf dem Fachwissen eines Fachmanns beruhende Änderungen, Verbesserungen und dergleichen aus den nachfolgenden Ausführungsformen hervorgehen, ohne dabei vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
Die zuständigen Erfinder haben als Resultat der Untersuchungen zu den Ursachen des Problems der verringerten Abgabe von elektrischer Energie haben herausgefunden, dass das Problem durch eine teilweise Abnahme der Druckkraft des zylindrischen Elements gegenüber dem thermoelektrischen Umwandlungselement aufgrund eines Spalts zwischen dem thermoelektrischen Umwandlungselement und dem zylindrischen Element verursacht wird, der durch die wiederkehrende Zirkulation des ersten Fluids bedingt wird. Die zuständigen Erfinder haben herausgefunden, dass zur Lösung des Problems die teilweise Abnahme der Druckkraft des zylindrischen Elements gegenüber dem thermoelektrischen Umwandlungselement durch die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen unterdrückt werden kann.
(Ausführungsform 1)
(1) Wärmerückgewinnungsvorrichtung
1 zeigt einen Aufbau einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung in einem zu einer axialen Richtung (einer Zellausdehnungsrichtung) einer Wabenstruktur parallelem Querschnitt. 2 zeigt den Aufbau der Wärmerückgewinnungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung in einem senkrecht zur axialen Richtung (Zellausdehnungsrichtung) der Wabenstruktur stehenden Querschnitt (ein Querschnitt entlang der A-A'-Linie).
Die gestrichelten Linien in den Abbildungen sind gedachte Linien einer Auslassöffnung und einer Auslassleitung, die im anderen Querschnitt gezeigt sind.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, umfasst eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100: eine Wabenstruktur 10 mit einer äußeren Umfangswand 15, die mindestens eine ebene äußere Umfangsfläche aufweist, und mit Trennwänden 14, die an einer Innenseite der äußeren Umfangswand 15 angeordnet sind, wobei die Trennwände 14 eine Vielzahl von Zellen 13 bilden, die sich jeweils von einer ersten Endfläche 11 zu einer zweiten Endfläche 12 erstrecken, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden.
Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 umfasst des Weiteren ein thermoelektrisches Umwandlungselement 20, das derart angeordnet ist, dass es der ebenen äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 der Wabenstruktur 10 gegenüberliegt.
Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 umfasst weiterhin ein zylindrisches Element 30, das die Wabenstruktur 10, in der das thermoelektrische Umwandlungselement 20 angeordnet ist, in Umfangsrichtung abdeckt.
Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 umfasst auch ein Gehäuse 40, das in einem Abstand angeordnet ist, um einen Strömungsweg für ein zweites Fluid zu bilden, wobei das Gehäuse 40 an einer radialen Außenseite des zylindrischen Elements 30 angeordnet ist.
Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 verfügt weiterhin über ein Druckelement 50, das derart gestaltet ist, dass es das zylindrische Element 30 gegen das thermoelektrische Umwandlungselement 20 drückt.
(1-1) Wabenstruktur 10
Die Wabenstruktur 10 umfasst: die äußere Umfangswand 15 mit der flachen äußeren Umfangsfläche; und die Trennwände 14, die auf einer Innenseite der äußeren Umfangswand 15 angeordnet sind und eine Vielzahl von Zellen 13 bilden, die sich jeweils von der ersten Endfläche 11 zur zweiten Endfläche 12 erstrecken, um den Strömungsweg für das erste Fluid zu bilden. Die Verwendung der Wabenstruktur 10 mit einem solchen Aufbau kann es ermöglichen, dass die Wärme des ersten Fluids, das durch die Zellen 13 der Wabenstruktur 10 strömt, auf effiziente Weise gesammelt und nach außen übertragen wird. Das erste Fluid kann von der ersten Endfläche 11 zur zweiten Endfläche 12 fließen, d.h. in Pfeilrichtung (von der linken zur rechten Seite der Zeichenebene in 1), oder in einer Richtung in die Zeichenebene hinein in 2. Das erste Fluid ist nicht auf eine besondere Ausführung beschränkt und es können verschiedenste Flüssigkeiten und Gase verwendet werden. Beispielsweise kann das erste Fluid ein Abgas sein, für den Fall, dass die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors oder einer Verbrennungsvorrichtung installiert ist. Insbesondere für den Fall, dass die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs installiert ist, kann das erste Fluid ein Motorabgas sein.
Die äußere Umfangswand 15 der Wabenstruktur 10 hat mindestens eine ebene äußere Umfangsfläche. Das thermoelektrische Umwandlungselement 20 hat häufig die Form einer flachen Platte. Da die Wabenstruktur 10 eine ebene äußere Umfangsfläche hat, kann das thermoelektrische Umwandlungselement 20 leicht derart angeordnet werden, dass es der ebenen äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 gegenüberliegt. Außerdem wird erwartet, dass die vis-àvis Anordnung die Wärmeübertragungseffizienz verbessert. Um den Einbau einer Vielzahl von thermoelektrischen Umwandlungselementen 20 zu ermöglichen, weist die äußere Umfangswand 15 der Wabenstruktur 10 vorzugsweise eine Vielzahl von ebenen äußeren Umfangsflächen auf, vorzugsweise drei oder mehr ebene äußere Umfangsflächen. Die Wabenstruktur 10 hat im Hinblick auf die Herstellbarkeit und Wärmerückgewinnungseffizienz vorzugsweise eine rechteckige prismatische Säulenform. In diesem Fall sind die drei oder mehr äußeren Umfangsflächen der äußeren Umfangswand 15 alle eben.
Um die Effizienz der Nutzung der Wärme aus der Wabenstruktur 10 zu erhöhen, ist eine Hauptoberfläche (Hochtemperaturseite) des thermoelektrischen Umwandlungselements 20 vorzugsweise vollständig in direktem oder indirektem Kontakt mit der äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15. Im Falle eines indirekten Kontakts zwischen der gesamten eine Hauptoberfläche (Hochtemperaturseite) des thermoelektrischen Umwandlungselements 20 und der äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 steht die eine Hauptoberfläche (Hochtemperaturseite) des thermoelektrischen Umwandlungselements 20 vorzugsweise über eine Substanz zur Verringerung des thermischen Kontaktwiderstands in Kontakt mit der äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15. Die Substanz zur Verringerung des thermischen Kontaktwiderstands umfasst Metallplatten, Kohlenstoff- (Graphit-) Platten, thermische Platten, thermische Fette und dergleichen. Spezifische Beispiele für Metalle für die Metallplatten sind Weichmetalle wie Aluminium, Kupfer und Blei sowie Legierungen wie Lötzinn.
Für den Fall, dass die Wabenstruktur 10 die Form einer rechteckigen prismatischen Säule aufweist, umfassen nicht beschränkende Beispiele für die rechteckige prismatische Säule dreieckige, quadratische, fünfeckige, sechseckige, siebeneckige, achteckige oder andere rechteckige prismatische Säulen. Um den Zusammenbau zu erleichtern, ist es dabei vorteilhaft, dass die gegenüberliegenden äußeren Umfangsflächen parallel zueinander angeordnet sind und dass die Anzahl der äußeren Umfangsflächen gerade ist (z. B. quadratisch, sechseckig, achteckig usw.). Die rechteckige prismatische Säule ist in der Regel eine rechtwinklige prismatische Säule. Um den Kontaktzustand (Pressdruck usw.) des thermoelektrischen Umwandlungselements 20 mit jeder äußeren Umfangsfläche leichter aufeinander abzugleichen, ist der Umriss der rechteckigen prismatischen Säule vorzugsweise symmetrisch und die äußere Form der Wabenstruktur 10 hat vorzugsweise die Form einer rechtwinkligen prismatischen Säule, bei der beide Enden regelmäßige Vielecke aufweisen. 1 und 2 zeigen den beispielhaften Fall, in dem die äußere Form der Wabenstruktur 10 eine regelmäßige achteckige prismatische Säule ist.
Die äußere Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 wird in Abhängigkeit der äußeren Form der Wabenstruktur 10 bestimmt. Für den Fall dass die äußere Form der Wabenstruktur 10 die Form einer rechteckigen prismatischen Säule hat, hat die äußere Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 einen polygonalen Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung der Wabenstruktur 10. Anderseits ist die Form der inneren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 nicht auf eine besondere Ausführung beschränkt. Zum Beispiel kann die innere Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 im senkrecht zur axialen Richtung der Wabenstruktur 10 liegenden Querschnitt eine polygonale Form haben, die der der äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 entspricht, oder aber eine Form aufweisen, die nicht der der äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 entspricht. Die 1 und 2 zeigen, dass im Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung der Wabenstruktur 10 die äußere Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 eine regelmäßige achteckige Form aufweist, während die innere Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 eine kreisförmige Form aufweist.
Vorzugsweise besteht der gesamte Bereich, der sich ausgehend von der inneren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 der Wabenstruktur 10 weiter im Inneren befindet, aus einer Vielzahl von Zellen 13 in axialer Richtung der Wabenstruktur 10. Mit diesem Aufbau kann die Anzahl der Trennwände 14 für die Wärmeübertragung erhöht werden, wodurch die Effizienz der Wärmerückgewinnung aus dem ersten Fluid gesteigert wird.
Die Wabenstruktur 10 kann hohl ausgeführt sein. In diesem Fall hat die hohle Wabenstruktur 10 einen hohlen Abschnitt im Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung der Wabenstruktur 10, der als Strömungsweg für das erste Fluid dient und sich von der Mitte der ersten Endfläche 11 zur Mitte der zweiten Endfläche 12 erstreckt, wobei die Vielzahl der Zellen 13 an der äußeren Umfangsseite des hohlen Abschnitts angeordnet sind.
Der hohle Abschnitt der Wabenstruktur 10 kann mit einem inneren zylindrischen Element versehen sein, das eine Verzweigung aufweist, die sich in einen Weg durch den hohlen Abschnitt und in einen Weg durch die Vielzahl von Zellen 13 verzweigt. Durch die Anordnung eines Durchflussregelventils stromaufwärts der ersten Endfläche 11 oder stromabwärts der zweiten Endfläche 12 der Wabenstruktur 10 und in der Mitte eines oder beider Wege, die durch den hohlen Abschnitt und die Vielzahl der Zellen 13 verlaufen, kann ein Verhältnis der Durchflussraten des ersten Fluids, das durch den hohlen Abschnitt fließt, und des ersten Fluids, das durch die Vielzahl von Zellen 13 fließt, eingestellt werden. Das Durchflussregelventil kann eine beliebige bekannte Ausführung haben, z. B. ein Schieberventil, ein Klappenventil, ein Kugelventil und dergleichen. Das Durchflussregelventil kann manuell geöffnet und geschlossen werden, oder es kann automatisch durch einen pneumatischen oder elektrischen Antrieb geöffnet und geschlossen werden. Es kann auch mit einem Stellglied (Thermoantrieb, Thermostat usw.), das eine temperaturabhängige
Die Trennwände 14 und die äußere Umfangswand 15 enthalten vorzugsweise SiC (Siliziumkarbid) als Hauptbestandteil mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Die Bezeichnung „SiC (Siliziumkarbid) als Hauptbestandteil“ bedeutet, dass das Verhältnis der Masse von SiC (Siliziumkarbid) zur Gesamtmasse der Trennwände 14 oder der der äußeren Umfangswand 15 mindestens 50 % beträgt.
Insbesondere umfasst das hier verwendbare Material der Trennwände 14 und das der äußeren Umfangswand 15 Si-imprägniertes SiC, (Si + AI) - imprägniertes SiC, Metallkomposit-SiC, rekristallisiertes SiC, Si₃N₄, SiC und dergleichen.
Eine Zelldichte (d. h. die Anzahl der Zellen pro Flächeneinheit) im Querschnitt orthogonal zur axialen Richtung der säulenförmigen Wabenstruktur 10 ist nicht auf eine besonderen Wert beschränkt. Die Zelldichte kann je nach Bedarf eingestellt werden und liegt vorzugsweise in einem Bereich von 4 bis 320 Zellen/cm². Eine Zelldichte von 4 Zellen/cm² oder mehr kann eine ausreichende Festigkeit der Trennwände 14 und damit der Wabenstruktur 10 selbst sowie die effektive geometrische Oberfläche gewährleisten. Darüber hinaus kann eine Zelldichte von 320 Zellen/cm² oder weniger einen Anstieg eines Druckverlustes beim Durchströmen des ersten Fluids verhindern.
Die Wabenstruktur 10 hat vorzugsweise eine isostatische Festigkeit von 1 MPa oder mehr, und noch bevorzugter 5 MPa oder mehr. Die isostatische Festigkeit der Wabenstruktur 10 von 1 MPa oder mehr kann zu einer verbesserten Langlebigkeit der Wabenstruktur 10 führen. Es ist zu beachten, dass die Obergrenze der isostatischen Festigkeit der Wabenstruktur 10 bei etwa 100 MPa liegt. Die isostatische Festigkeit der Wabenstruktur 10 kann gemäß der Methode zur Messung der isostatischen Bruchfestigkeit gemessen werden, wie diese in der als Kraftfahrzeugnorm von der „Society of Automotive Engineers of Japan, Inc.“ ausgefertigten JASO-Norm M 505-87 festgelegt ist.
Ein Durchmesser der Wabenstruktur 10 im zur axialen Richtung der Wabenstruktur orthogonalen Querschnitt kann vorzugsweise 20 bis 200 mm, und noch bevorzugter 30 bis 100 mm betragen. Ein solcher Durchmesser kann eine Verbesserung der Effizient der Wärmerückgewinnung ermöglichen. Der hier bezeichnete Durchmesser der Wabenstruktur 10 bezieht sich auf den Durchmesser des größten eingeschriebenen Kreises, der in die äußere Umfangsfläche der Wabenstruktur 10 im zur axialen Richtung der Wabenstruktur 10 orthogonalen Querschnitt eingeschrieben ist.
Eine Dicke jeder Trennwand 14 kann in Abhängigkeit eines jeweiligen Verwendungszwecks ausgelegt werden, ist aber auf keinen besonderen Wert beschränkt. Die Dicke jeder Trennwand 14 kann vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 mm betragen. Eine Dicke der Trennwand 14 von 0,1 mm oder mehr verleiht der Wabenstruktur 10 eine ausreichende mechanische Festigkeit und kann verhindern, dass diese durch Stöße oder thermische Belastung bricht. Außerdem kann eine Dicke der Trennwand 14 von 1 mm oder weniger das Problem unterdrücken, dass der Druckverlust erhöht oder die Effizient der Wärmerückgewinnung verringert wird.
Die Trennwand 14 kann vorzugsweise eine Dichte von 0,5 bis 5 g/cm³ aufweisen. Eine Dichte der Trennwand 14 von 0,5 g/cm³ oder mehr kann der Trennwand 14 eine ausreichende Festigkeit verleihen und verhindern, dass die Trennwand 14 infolge eines Widerstands bricht, wenn das erste Fluid den Strömungsweg (die Zellen 13) passiert. Außerdem kann eine Dichte der Trennwand 14 von 5 g/cm³ oder weniger eine Reduktion des Gewichts der Wabenstruktur 10 ermöglichen. Mit einer Dichte innerhalb des oben genannten Bereichs kann eine Verstärkung der Wabenstruktur 10 ermöglicht werden und es kann auch eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit bewirkt werden. Es ist anzumerken, dass die Dichte der Trennwand 14 ein nach der Archimedes-Methode gemessener Wert ist.
Die Wabenstruktur 10 hat vorzugsweise bei 25 °C eine Wärmeleitfähigkeit von 50 W/(m·K) oder mehr, vorzugsweise von 100 bis 300 W/(m.K), und noch bevorzugter von 120 bis 300 W/(m·K). Eine Wärmeleitfähigkeit der Wabenstruktur 10 in einem solchen Bereich kann zu einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit führen und zudem ermöglichen, dass die Wärme innerhalb der Wabenstruktur 10 auf effiziente Weise an das thermoelektrische Umwandlungselement 20 übertragen wird. Es ist anzumerken, dass der Wert der Wärmeleitfähigkeit ein Wert ist, der gemäß der Laser-Flash-Methode (JIS R 1611-1997) gemessen wurde.
Falls ein Abgas als erstes Fluid durch die Zellen 13 in der Wabenstruktur 10 strömt, kann ein Katalysator auf den Trennwänden 14 der Wabenstruktur 10 angebracht sein. Das Anbringen des Katalysators auf den Trennwänden 14 kann es ermöglichen, dass CO, NOx, HC und dergleichen im Abgas durch eine katalytische Reaktion in unschädliche Substanzen umgewandelt werden und es kann auch ermöglichen, dass die während der katalytischen Reaktion erzeugte Reaktionswärme zum Wärmeaustausch genutzt wird. Zu den bevorzugten Katalysatoren gehören solche, die mindestens ein Element aus der Gruppe der Edelmetalle (Platin, Rhodium, Palladium, Ruthenium, Indium, Silber und Gold), Aluminium, Nickel, Zirkonium, Titan, Cer, Kobalt, Mangan, Zink, Kupfer, Zinn, Eisen, Niob, Magnesium, Lanthan, Samarium, Wismut und Barium enthalten. Jedes der oben genannten Elemente kann als einfacher Metallstoff, als Metalloxid oder als andere Metallverbindung enthalten sein.
Die angebrachte Menge des Katalysators (Katalysatormetall + Träger) kann vorzugsweise 10 bis 400 g/L betragen. Bei Verwendung eines das/die Edelmetall(e) enthaltenden Katalysators kann die angebrachte Menge vorzugsweise 0,1 bis 5 g/L betragen. Mit einer angebrachten Menge des Katalysators (Katalysatormetall + Träger) von 10 g/L oder mehr kann eine Katalyse besonders leicht erreicht werden. Der Träger bezieht sich auf einen Carrier, auf dem das Katalysatormetall aufgebracht ist. Beispiele für Träger sind solche, die mindestens ein Element aus der aus Aluminiumoxid, Ceroxid und Zirkoniumdioxid bestehenden gruppe enthalten.
(1-2) Thermoelektrisches Umwandlungselement 20
Das thermoelektrische Umwandlungselement 20 ist derart angeordnet, dass es der ebenen äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 der Wabenstruktur 10 gegenüberliegt. Das thermoelektrische Umwandlungselement 20 kann derart angeordnet sein, dass es einem Teil der äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 der Wabenstruktur 10 gegenüberliegt, aber vorzugsweise ist das thermoelektrische Umwandlungselement 20 derart anzuordnen, dass es der gesamten äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 gegenüberliegt, um die Effizienz der Wärmenutzung zu verbessern. Jedes thermoelektrische Umwandlungselement 20 kann mittels des Seebeck-Effekts Wärme in Elektrizität umwandeln, wenn ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Enden besteht. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluid mit einer höheren Temperatur und dem zweiten Fluid mit einer niedrigeren Temperatur genutzt, um das thermoelektrische Umwandlungselement 20 zu betreiben und Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Der durch das thermoelektrische Umwandlungselement 20 erzeugte elektrische Strom kann beispielsweise über elektrische Leitungen 21 verschiedenen elektronische Geräten bereitgestellt oder in einer Batterie gespeichert werden.
Im thermoelektrischen Umwandlungselement 20 sind z. B. an beiden Enden ein wärmeaufnehmendes Substrat aus isolierter Keramik und ein wärmeabgebendes Substrat aus isolierter Keramik angeordnet, zwischen denen ein thermoelektrisches Umwandlungselement vom N-Typ und ein thermoelektrisches Umwandlungselement vom P-Typ angeordnet sind, die über Elektroden abwechselnd in Reihe geschaltet sind. Die benachbarten thermoelektrischen Umwandlungselemente 20 können über eine Verdrahtung elektrisch verbunden sein. Typischerweise wird das wärmeaufnehmende Substrat an dem näher an dem ersten Fluid liegenden Ende des thermoelektrischen Umwandlungselements 20 angeordnet und das wärmeabgebende Substrat wird an dem näher an dem zweiten fluid liegenden Ende des thermoelektrischen Umwandlungselements 20 angeordnet.
Eine Form jedes thermoelektrischen Umwandlungselements 20 ist nicht auf eine besondere Form beschränkt. Jedoch ist das thermoelektrische Umwandlungselement in Form einer flachen Platte auf dem Markt leicht erhältlich und ist insofern vorzuziehen, als dass es eine kompakte Wärmerückgewinnungsvorrichtung ermöglicht. Das flache thermoelektrische Umwandlungselement 20 kann leicht an der ebenen äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 der Wabenstruktur 10 angeordnet werden.
(1-3) Zylindrisches Element 30
Das zylindrische Element 30 bedeckt die Wabenstruktur 10, in der das thermoelektrische Umwandlungselement 20 angeordnet ist, in Umfangsrichtung. Das zylindrische Element 30 kann bewirken, dass die Form des Aufbaus, in der das thermoelektrische Umwandlungselement 20 derart angeordnet ist, dass es der äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 der Wabenstruktur 10 gegenüberliegt, beibehalten wird, sodass der Aufbau nicht kollabiert ein Vermischen des ersten Fluids und des zweiten Fluids unterdrückt wird. Um diese formstabilisierende Wirkung zu verbessern, ist es vorteilhaft, dass die innere Umfangsfläche des zylindrischen Elements 30 direkt oder indirekt an die äußeren Umfangsabschnitte des thermoelektrischen Umwandlungselements 20 angepasst und an diesen befestigt ist. Die verwendete Bezeichnung „angepasst und an diesen befestigt“ bedeutet, dass die Elemente in zueinander passenden Zustand befestigt sind. Daher umfasst die Bezeichnung „angepasst und an diesen befestigt“ Fälle, in denen Elemente durch eine Befestigungsmethode auf Grundlage von Passungen wie Spielpassung, Presspassung und Schrumpfpassung sowie durch Löten, Schweißen, Diffusionskleben oder Ähnliches aneinander befestigt werden.
Im Hinblick auf die Verbesserung der Effizient der Wärmerückgewinnung ist ein höheres Verhältnis der Fläche eines Teils der äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15, der in Umfangsrichtung mit dem zylindrischen Element 30 bedeckt ist, zur Gesamtfläche der äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 vorzuziehen. Insbesondere beträgt ein Flächenverhältnis vorzugsweise 80 % oder mehr, und noch bevorzugter 90 % oder mehr, und noch bevorzugter 100 % (d. h. die gesamte äußere Umfangsfläche der äußeren Umfangswand 15 ist in Umfangsrichtung mit dem zylindrischen Element 30 bedeckt). Es ist anzumerken, dass der Begriff „äußere Umfangsfläche“, wie dieser hier verwendet wird, sich auf die Fläche parallel zur axialen Richtung der Wabenstruktur 10 bezieht, aber nicht zur axialen Richtung der Wabenstruktur 10 orthogonal stehende Fläche umfasst.
Ein Material des zylindrischen Elements 30 ist nicht auf ein besonderes Material beschränkt, solange es die oben genannten Effekte hervorbringen kann, allerdings ist ein Material mit guter Wärmeleitfähigkeit vorzuziehen. Beispiele für das Material sind Metalle und Keramiken, wobei Metalle im Hinblick auf die Herstellbarkeit (einfache Montage) vorzuziehen sind. Zu hier verwendbaren Metallen gehören rostfreier Stahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen, wobei rostfreier Stahl wegen seiner hohen Langlebigkeit zu bevorzugen ist.
Das zylindrische Element 30 hat vorzugsweise eine Dicke von 0,1 mm oder mehr, vorzugsweise 0,3 mm oder mehr und noch bevorzugter 0,5 mm oder mehr, um Langlebigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Die Dicke des zylindrischen Elements 30 beträgt vorzugsweise 10 mm oder weniger, und noch bevorzugter 5 mm oder weniger, und noch bevorzugter 3 mm oder weniger, um den Wärmewiderstand zu verringern.
Das zylindrische Element 30 hat einen oder mehrere geschlitzte Abschnitte 31. Durch das Anbringen der geschlitzten Abschnitte 31 an dem zylindrischen Element 30 ist es möglich, eine teilweise Verformung des zylindrischen Elements 30 aufgrund von erhöhter Temperatur zu unterdrücken. Besonders in den Fällen, in denen die Wabenstruktur 10 aus Keramik und das zylindrische Element 30 aus Metall besteht, kann das zylindrische Element 30 ohne die geschlitzten Abschnitte 31 an einem nicht durch das Druckelement 50 gegen das thermoelektrische Umwandlungselement 20 gepressten Abschnitt des zylindrischen Elements 30 verformt werden, und zwar aufgrund eines durch unterschiedliche Materialien bedingten Unterschieds in der thermischen Verformung, sodass die Druckkraft gegen das thermoelektrische Umwandlungselement 20 in diesem Abschnitt verringert wird. Andererseits kann durch die Bereitstellung der geschlitzten Abschnitte 31 an dem zylindrischen Element 30 die thermische Spannung in dem Abschnitt, der nicht durch das Druckelement 50 gegen das thermoelektrische Umwandlungselement 20 gedrückt wird, verringert werden, um die Verformung zu unterdrücken. Infolgedessen ist selbst im Falle, dass das zylindrische Element 30 einer erhöhten Temperatur ausgesetzt ist, schwierig, die Druckkraft des zylindrischen Elements 30 gegen das thermoelektrische Umwandlungselement 20 zu verringern, wodurch eine stabile Aufrechterhaltung der abgegebenen elektrischen Energie ermöglicht wird.
Die geschlitzten Abschnitte 31 können auf der äußeren Umfangsfläche, auf der inneren Umfangsfläche oder an beiden Umfangsflächen des zylindrischen Elements 30 angebracht werden. Durch die Anordnung der geschlitzten Abschnitte 31 an solchen Positionen ist es möglich, beständig eine partielle Verformung des zylindrischen Elements 30 aufgrund von erhöhter Temperatur zu unterdrücken. 1 und 2 zeigen den Fall, dass die geschlitzten Abschnitte 31 auf der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Elements 30 vorgesehen sind.
Die Anzahl und die Breite der geschlitzten Abschnitte 31 können in Abhängigkeit von den Druckpunkten des Druckelements 50 und der Größe des zylindrischen Elements 30 entsprechend eingestellt werden, ohne dabei besonders beschränkt zu sein.
3 zeigt eine schematische Ansicht, die das Verhältnis zwischen einem Druckpunkt P und dem geschlitzten Abschnitt 31 veranschaulicht.
3 (a) ist ein Beispiel für den Fall, dass das zylindrische Element 30 am Druckpunkt P durch ein Druckelement 50 gegen ein thermoelektrisches Umwandlungselement 20 gedrückt wird, und 3(b) bis (d) sind Beispiele für den Fall, dass das zylindrische Element 30 durch fünf Druckelemente 50 an den Druckpunkten P gegen ein thermoelektrisches Umwandlungselement 20 gedrückt wird.
Die geschlitzten Abschnitte 31 sind vorzugsweise an Positionen vorgesehen, die sich nicht mit den Druckpunkten P des Druckelements 50 am zylindrischen Element 30 überschneiden, wie in 3(a) bis 3(d) gezeigt. Durch eine solche Anordnungen der geschlitzten Abschnitte 31 kann die teilweise Verformung des zylindrischen Elements 30 unterdrückt werden, ohne dabei die Funktion des Druckelements 50 zu beeinträchtigen, welches das zylindrische Element 30 gegen die thermoelektrischen Umwandlungselemente 20 drückt.
Die geschlitzten Abschnitte 31 sind vorzugsweise in einem Maschenmuster angeordnet, wie in 3(a) bis (c) gezeigt. Durch die Anordnung der geschlitzten Abschnitte 31 in einem Maschenmuster kann die partielle Verformung über das gesamte zylindrische Element 30 hinweg unterdrückt werden.
Falls keine durch das Druckelement 50 bewirkte Druckpunkte P in den durch die geschlitzten Abschnitte 31 unterteilten Bereichen vorliegen, kann es schwierig sein, einen Druck auf diese Bereiche auszuüben, sodass die Druckkraft des zylindrischen Elements 30 gegen das thermoelektrische Umwandlungselement 20 abnehmen kann. Daher ist es vorteilhaft, dass eine Differenz zwischen der Anzahl der durch die geschlitzten Abschnitte 31 unterteilten Bereiche und der Anzahl der durch das Druckelement 50 bewirkten Druckpunkte P kleiner wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass es einen durch das Druckelement 50 bewirkten Druckpunkt P in jedem der durch die geschlitzten Abschnitte 31 unterteilten Bereiche gibt, wie in 3(d) gezeigt.
Obwohl die Tiefe jedes geschlitzten Abschnitts 31 nicht auf einen besonderen Wert beschränkt ist, beträgt diese vorzugsweise 50 % oder weniger, noch bevorzugter 40 % oder weniger und noch bevorzugter 30 % oder weniger der Dicke des zylindrischen Elements 30. Durch die Anpassung der Tiefe jedes geschlitzten Abschnitts 31 in einem solchen Bereich kann die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des zylindrischen Elements 30 gewährleistet werden. Die Tiefe des geschlitzten Abschnitts 31 beträgt vorzugsweise 5 % oder mehr, noch bevorzugter 8 % oder mehr und noch bevorzugter 10 % oder mehr der Dicke des zylindrischen Elements 30. Durch die Anpassung der Tiefe des geschlitzten Abschnitts 31 in einem solchen Bereich kann die thermische Spannung in dem Abschnitt, der nicht durch das Druckelement 50 gegen das thermoelektrische Umwandlungselement 20 gedrückt wird, beständig reduziert werden.
Die Breite der einzelnen geschlitzten Abschnitte 31 beträgt in der Regel 0,5 bis 2,0 mm.
(1-4) Gehäuse 40
Das Gehäuse 40 ist in einem Abstand an der radialen Außenseite des zylindrischen Elements 30 angeordnet, um einen Strömungsweg für das zweite Fluid zu bilden. Das Gehäuse 40 hat eine Einlassöffnung 41 und eine Auslassöffnung 42 für das zweite Fluid, dass eine niedrigere Temperatur aufweist als das erste Fluids, und der Strömungsweg für das zweite Fluid wird zwischen einer inneren Umfangsfläche des Gehäuses 40 und der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Elements 30 gebildet, derart, dass dieser das zylindrische Element 30 umgibt. Der Strömungsweg für das zweite Fluid ist nicht separat für jedes thermoelektrische Umwandlungselement 20 vorgesehen, sondern wird derart bereitgestellt, dass dieser um das zylindrische Element 30 herumgeführt. Daher kann der Strömungsweg für das zweite Fluid einfach konstruiert werden.
Das Gehäuse 40 kann eine Einlassleitung 43 aufweisen, die mit der Einlassöffnung 41 für das zweite Fluid verbunden ist, und eine Auslassleitung 44, die mit der Auslassöffnung 42 für das zweite Fluid verbunden ist. Das zweite Fluid fließt von der Einlassöffnung 41 durch die Einlassleitung 43 in das Gehäuse 40. Das zweite Fluid strömt dann aus der Auslassöffnung 42 durch die Auslassleitung 44, nachdem es während des Durchlaufens des Strömungswegs für das zweite Fluid Wärme mit dem ersten Fluid ausgetauscht hat. Ein solcher Aufbau kann die Rückgewinnung von Wärme aus dem ersten Fluid durch das thermoelektrische Umwandlungselement 20 sowie die Rückgewinnung von Wärme aus dem ersten Fluid durch Wärmeaustausch mit dem zweiten Fluid ermöglichen. Die Einlassöffnung 41 für das zweite Fluid ist vorzugsweise auf einer Seite nahe der zweiten Endfläche 12 angeordnet und die Auslassöffnung 42 für das zweite Fluid ist vorzugsweise auf einer Seite nahe der ersten Endfläche 11 angeordnet. Dadurch kann das zweite Fluid in die entgegengesetzte Richtung zum ersten Fluid strömen (Gegenstrom), wodurch leicht eine beständige Wärmerückgewinnungsleistung erreicht wird.
Es ist ein Aufbau vorzuziehen, bei dem der die äußere Umfangsfläche des zylindrischen Elements 30 an beiden Enden in axialer Richtung in Umfangsrichtung nahe an der inneren Umfangsfläche des Gehäuses 40 liegt, um ein Auslaufen der des zweiten Fluids zu verhindern. Zum schlüssigen Verbinden der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Elements 30 mit der inneren Umfangsfläche des Gehäuses 40, kann hier eines der Verfahren Schweißen, Diffusionskleben, Hartlöten und dergleichen zum Einsatz kommen, ohne dabei auf eines der genannten Verfahren beschränkt zu sein. Bevorzugt ist aus den vorgenannten Verfahren das Schweißen aufgrund seiner hohen Langlebigkeit und Zuverlässigkeit anzuwenden.
Ein Material für das Gehäuses 40 ist nicht auf eine besondere Ausführung beschränkt, allerdings ist ein Material mit guter Wärmeleitfähigkeit vorzuziehen. Beispiele für das Material sind Metalle und Keramiken, wobei Metalle im Hinblick auf die Herstellbarkeit (einfache Montage) vorzuziehen sind. Zu den hier verwendbaren Metallen gehören rostfreier Stahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen, wobei rostfreier Stahl aufgrund seiner hohen Langlebigkeit und Zuverlässigkeit zu bevorzugen ist.
Das Gehäuse 40 hat im Hinblick auf Langlebigkeit und Zuverlässigkeit vorzugsweise eine Dicke von 0,1 mm oder mehr, vorzugsweise von 0,5 mm oder mehr und noch bevorzugter von 1 mm oder mehr. Die Dicke des Gehäuses 40 ist im Hinblick auf Kosten, Volumen und Gewicht vorzugsweise 10 mm oder weniger, bevorzugt 5 mm oder weniger, und noch bevorzugter 3 mm oder weniger.
In Fällen, in denen die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 zur Rückgewinnung von Abwärme aus dem Abgas eines Motors verwendet wird, kann das Gehäuse 40 derart aufgebaut sein, dass beide Endabschnitte in einer zur axialen Richtung der Wabenstruktur 10 parallelen Richtung mit einem Rohr verbunden werden können, durch das das Abgas des Motors strömt. Falls sich ein Innendurchmesser des Rohrs, durch das das Abgas strömt, von einem jeweiligen Innendurchmesser der beiden Endabschnitte des Gehäuses 40 unterscheidet, kann zwischen dem Rohr und dem Gehäuse 40 ein Gaseinleitungsrohr mit einem sukzessiven zunehmenden oder abnehmenden Innendurchmesser vorgesehen werden, oder das Rohr und das Gehäuse 40 können direkt miteinander verbunden werden.
Das zweite Fluid ist nicht auf eine besondere Ausführung beschränkt, allerdings ist im Falle, dass die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 als Wärmetauscher in einem Kraftfahrzeug installiert ist, das zweite Fluid vorzugsweise Wasser oder Frostschutzmittel (LLC wie in JIS K 2234:2006 definiert). Motoröl, Automatikgetriebeöl oder Freon-Kühlmittel können ebenfalls als zweites Fluid verwendet werden.
(1-5) Druckelement 50
Das Druckelement 50 ist ein Element, das das zylindrische Element 30 gegen das thermoelektrische Umwandlungselement 20 drückt. Wenn das zylindrische Element 30 gedrückt wird, wird auch das thermoelektrische Umwandlungselement 20 an der inneren Umfangsseite des zylindrischen Elements 30 gedrückt, wodurch die Anhaftung des thermoelektrischen Umwandlungselements 20 an der Wabenstruktur 10 gefördert wird.
Das Druckelement 50 ist nicht auf eine besondere Ausführungsform beschränkt, allerdings kann zum Beispiel eine Schraube 51 zum Einsatz kommen, die von der äußeren Umfangsseite des Gehäuses 40 aus eingesetzt wird.
Die Schraube 51 kann von der äußeren Umfangsseite des Gehäuses 40 bis hin zu dem sich in dessen Innerem befindlichen zylindrischen Element 30 eingeführt werden wobei die Spitze der Schraube 51 gegen das zylindrische Element 30 drücken kann. Vorzugsweise wird die Schraube 51 in einer Position eingesetzt, in der sie auf den Schwerpunkt jedes thermoelektrischen Umwandlungselements 20 drücken kann. Vorzugsweise wird jedes thermoelektrische Umwandlungselement 20 von mehreren Schrauben 51 gedrückt und noch vorteilhafter ist es, wenn die mehreren Schrauben 51 linear oder punktsymmetrisch angeordnet sind. Die Anzahl der Schrauben 51, die ein jeweiliges thermoelektrisches Umwandlungselement 20 andrücken, beträgt vorzugsweise 5 oder mehr und noch bevorzugter 9 oder mehr.
Das Druckelement 50 kann eine zwischen dem Gehäuse 40 und dem zylindrischen Element 30 angeordnete Feder sein. In einem solchen Fall ist eine bevorzugte Anordnung der Feder gleich der der Schraube 51.
(1-6) Wärmeübertragungselement 60
Optional kann ein Wärmeübertragungselement 60 zwischen dem thermoelektrischen Umwandlungselement 20 und dem zylindrischen Element 30 angeordnet werden. Die Anordnung des Wärmeübertragungselements 60 kann die Effizienz der Wärmerückgewinnung erhöhen und die formstabilisierende Wirkung des zylindrischen Elements 30 weiter verbessern. Das Wärmeübertragungselement 60 ist vorzugsweise so aufgebaut, dass es einen Spalt zwischen dem thermoelektrischen Umwandlungselement 20 und dem zylindrischen Element 30 möglichst vollständig ausfüllt.
Das Wärmeübertragungselement 60 kann beispielsweise eine innere Umfangsform aufweisen, die der äußeren Umfangsform des thermoelektrischen Umwandlungselements 20 entspricht, und eine äußere Umfangsform, die der inneren Umfangsform des zylindrischen Elements 30 entspricht. 2 zeigt einen Fall, in dem die äußere Umfangsfläche des Wärmeübertragungselements 60 in Gänze eine zylindrische Fläche bildet und an die zylindrische, innere Umfangsfläche des zylindrischen Elements 30 angepasst und dort befestigt ist.
Ein Material des Wärmeübertragungselements 60 ist nicht auf eine besondere Ausführung beschränkt, allerdings ist ein Material mit guter Wärmeleitfähigkeit vorzuziehen. Beispiele für das Material sind Metalle und Keramiken, wobei die Metalle im Hinblick auf die Herstellbarkeit (einfache Montage) vorzuziehen sind. Zu den hier verwendbaren Metallen gehören rostfreier Stahl, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen, Messing und dergleichen, wobei die Aluminiumlegierung wegen ihrer guten Verarbeitbarkeit und Wärmeübertragungseigenschaften zu bevorzugen ist.
(2) Verfahren zur Herstellung einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100
Im Folgenden wird beispielhaft das Verfahren zur Herstellung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
(2-1) Herstellung der Wabenstruktur 10
Zunächst wird ein Keramikpulver enthaltener Grünkörper in die gewünschte Form extrudiert, um einen Wabenformkörper herzustellen. Das hier verwendbare Material des Wabenformkörpers umfasst die oben beschriebenen Keramiken. Bei der Herstellung eines Wabenformkörpers, der einen SiC-Verbundwerkstoff als Hauptkomponente enthält, werden beispielsweise ein Bindemittel und Wasser oder ein organisches Lösungsmittel zu einer vordefinierten Menge SiC-Pulver beigemischt, die entstehende Mischung wird geknetet, um einen Grünkörper zu bilden, der zu einem Wabenformkörper mit gewünschter Form geformt wird. Anschließend kann der resultierende Wabenformkörper getrocknet werden. Der Wabenformkörper kann mit metallischem Si imprägniert und bei reduziertem Druck in einem Inertgas oder in einem Vakuum gebrannt werden, um eine Wabenstruktur 10 mit einer Vielzahl von durch Trennwände 14 gebildeten Zellen 13 zu erhalten. Zur Bildung der äußeren Umfangswand 15 mit der ebenen äußeren Umfangsfläche kann die äußere Umfangswand 15 mit der ebenen äußeren Umfangsfläche als Formteil des Wabenformkörpers gebildet werden. Alternativ kann die äußere Umfangswand 15 mit der ebenen äußeren Umfangsfläche nach Erhalt der zylindrischen Wabenstruktur 10 mittels einer äußeren Umfangsbeschichtung gebildet werden. Die Seitenfläche der zylindrischen Wabenstruktur 10 kann poliert, um eine polygonale säulenförmige Wabenstruktur 10 zu erzeugen, woraufhin die äußere Umfangsbeschichtung durchgeführt werden kann, um die äußere Umfangswand 15 mit der ebenen äußeren Umfangsfläche zu bilden.
(2-2) Anordnung des thermoelektrischen Umwandlungselements
Anschließend wird die gewünschte Anzahl thermoelektrischer Umwandlungselemente 20 auf der äußeren Umfangsfläche der Wabenstruktur 10 angeordnet. Nach der Anordnung etwaiger Wärmeübertragungselemente 60 auf den äußeren Umfangsflächen des thermoelektrischen Umwandlungselements 20 wird die resultierende Baugruppe in das zylindrische Element 30 eingesetzt. In diesem Zustand wird die innere Umfangsfläche des zylindrischen Elements 30 an die äußere Umfangsfläche der Baugruppe (z. B. die äußeren Umfangsflächen der Wärmeübertragungselemente 60) mittels Schrumpfpassung eingepasst und befestigt.
Auf diese Weise wird eine Kernkomponente fertiggestellt, die die Wabenstruktur 10, das thermoelektrische Umwandlungselement 20 und das zylindrische Element 30 und vorzugsweise auch die Wärmeübertragungselemente 60 umfasst. Indem die Kernkomponente derart gebildet wird, dass sie sich nur durch äußere Krafteinwirkung zerlegen lässt, wird die Handhabung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 erleichtert.
(2-3) Anbringung des Gehäuses 40
Das Gehäuse 40 mit den oben genannten Komponenten wird durch ein Verfahren wie Formen, Biegen und Schneiden geformt. Das Gehäuse 40 wird mit der Kernkomponente in einem Abstand verbunden, um den Strömungsweg für das zweite Fluid an einer radialen Außenseite des zylindrischen Elements 30 der Kernkomponente zu bilden. Typischerweise wird die Kernkomponente in das Gehäuse 40 eingesetzt und beide Teile können durch ein Verfahren wie Schweißen oder Löten miteinander verbunden werden.
Durch ein solches Verfahren kann die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 hergestellt werden, die eine Kombination aus der Kernkomponente und dem Gehäuse 40 dargestellt. Das Verfahren zur Herstellung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf die oben beschriebenen Verfahren beschränkt.
(Ausführungsform 2)
4 zeigt einen Aufbau einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung in einem zu einer axialen Richtung der Wabenstruktur (einer Zellenerweiterungsrichtung) parallelem Querschnitt. 5 zeigt den Aufbau der Wärmerückgewinnungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung in einem zur axialen Richtung (der Zellausdehnungsrichtung) der Wabenstruktur orthogonal stehendem Querschnitt (Querschnitt entlang der Linie B-B') orthogonal.
Die gestrichelten Linien in den Abbildungen sind gedachte Linien einer Auslassöffnung und einer Auslassleitung, die im anderen Querschnitt gezeigt sind.
In den 4 und 5 bezeichnen die mit denselben Bezugszeichen wie in den 1 und 2 gekennzeichneten Komponenten dieselben Komponenten wie in den 1 und 2 und werden daher nachfolgend nicht detailliert beschrieben.
Wie in 4 und 5 gezeigt, umfasst eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung 200 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung die Wabenstruktur 10, das thermoelektrische Umwandlungselement 20, das zylindrische Element 30, das Gehäuse 40 und das Druckelement 50 in entsprechender Weise zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. In 4 und 5 ist der beispielhafte Fall gezeigt, dass zwischen dem Gehäuse 40 und dem zylindrischen Element 30 jeweils Federn 52 angeordnet sind, die als Druckelement 50 verwendet werden.
Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 200 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung weist ferner Pufferelemente 70 auf, die zwischen dem zylindrischen Element 30 und dem thermoelektrischen Umwandlungselement 20 angeordnet sind und in Kontakt mit der inneren Umfangsfläche des zylindrischen Elements 30 stehen.
Durch Bereitstellung des Pufferelements 70 ist es möglich, eine teilweise Verformung des einer erhöhten Temperatur ausgesetzten zylindrischen Elements 30 zu verhindern. Insbesondere im Fall, dass kein Pufferelement 70 vorgesehen ist, wird das zylindrische Element 30 an einem nicht durch das Druckelement 50 gegen das thermoelektrische Umwandlungselement 20 gedrückten Abschnitt verformt, sodass die Druckkraft gegen das thermoelektrische Umwandlungselement 20 in diesem Abschnitt abnimmt. Dahingegen kann durch die Bereitstellung des Pufferelements 70 die thermische Spannung in diesem Abschnitt reduziert werden, um diese Verformung zu unterdrücken. Infolgedessen ist es selbst für den Fall, dass das zylindrische Element 30 einer erhöhten Temperatur ausgesetzt ist, schwierig, die Druckkraft des zylindrischen Elements 30 gegen das thermoelektrische Umwandlungselement 20 zu verringern, sodass die Abgabe der elektrischen Energie stabil beibehalten werden kann.
Das Pufferelement 70 ist nicht auf eine besondere Ausführungsform beschränkt, solange es die oben genannten Funktionen erfüllt. Das Pufferelement 70 kann zum Beispiel aus einem flexiblen Material bestehen.
Jedes Pufferelement 70 hat vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 2,0 W/m·K oder mehr und eine temperaturbezogene Wärmeresistenz von 100 °C oder mehr. Ein Pufferelement 70 mit einer Wärmeleitfähigkeit und einer temperaturbezogenen Wärmeresistenz in solchen Bereichen kann verhindern, dass die Funktion der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 200 beeinträchtigt wird und gewährleistet somit Langlebigkeit und Zuverlässigkeit.
Das Pufferelement 70 kann aus beispielsweise aus einem ausgewählten Material aus der Gruppe von Graphit, Silikonharzen und Acrylharzen hergestellt werden. Ein solches Material kann die oben genannten Effekte bewirken.
Jedes Pufferelement 70 hat vorzugsweise eine Dicke von 0,5 bis 2,0 mm, soll aber nicht auf diese Werte beschränkt sein. Eine Dicke jedes Pufferelements 70 von 0,5 mm oder mehr kann eine teilweise Verformung des zylindrischen Elements 30 beständig unterdrücken. Ebenso kann eine Dicke jedes Pufferelements 70 von 2,0 mm oder weniger eine funktionelle Verschlechterung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 200 unterdrücken.
Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 200 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung kann mit einem geschlitzten Abschnitt 31 im zylindrischen Element 30 versehen werden. Durch das Bereitstellen des geschlitzten Abschnitts 31 im zylindrischen Element 30 kann ein kombinierter Effekt zur Unterdrückung einer teilweisen Verformung des zylindrischen Elements 30 sowohl durch das Pufferelement 70 als auch durch den geschlitzten Abschnitt 31 erzielt werden.
Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 200 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung kann nach demselben Verfahren hergestellt werden wie die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
Insbesondere wird nach der Anordnung der gewünschten Anzahl von thermoelektrischen Umwandlungselementen 20 auf der äußeren Umfangsfläche der Wabenstruktur 10 das Pufferelement 70 auf den äußeren Umfangsflächen der thermoelektrischen Umwandlungselemente 20 angeordnet und die resultierende Baugruppe kann dann in das zylindrische Element 30 eingesetzt werden. In diesem Zustand wird die innere Umfangsfläche des zylindrischen Elements 30 in die äußere Umfangsfläche der Baugruppe (z. B. die äußeren Umfangsflächen des Pufferelements 70) durch Schrumpfpassung eingepasst und dort befestigt, wodurch eine Kernkomponente entsteht. Die Kernkomponente wird dann in das Gehäuse 40 eingesetzt und beide Teile werden durch ein Verfahren wie Schweißen oder Löten miteinander verbunden, um die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 200 bereitzustellen.
(Ausführungsform 3)
6 zeigt ein Anordnungsbeispiel eines Wärmerückgewinnungssystems gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.
Ein Wärmerückgewinnungssystem 301 gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung umfasst:

eine Einwegleitung 340 für ein erstes Fluid;
eine Zirkulationsleitung 306 für ein zweites Fluid, das eine niedrigere Temperatur aufweist als das erste Fluids;
eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 gemäß Ausführungsform 1 oder 2 der vorliegenden Erfindung, die in der Mitte der Einwegleitung 340 für das erste Fluid und der Zirkulationsleitung 360 für das zweite Fluid angeordnet ist; und
eine Batterie 320, die elektrisch mit der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 gekoppelt ist, wobei die Batterie 320 die von der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 erzeugte Elektrizität speichert.

Das erste Fluid (z. B. ein Abgas eines Kraftfahrzeugs) strömt von einer Quelle des ersten Fluids (z. B. einem Motor) in einen Einlass für das erste Fluid der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330, während es die Einwegleitung 340 (z. B. eine Abgasleitung) passiert. Für den Fall, dass die Einwegleitung 340 für das erste Fluid eine Abgasleitung des Motors ist, ist es vorteilhaft, eine Abgasreinigungsvorrichtung 350 mit einem Katalysator in der Mitte der Abgasleitung und stromaufwärts der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 anzuordnen. Obwohl die Abgasreinigungsvorrichtung 350 einschließlich des Katalysators stromabwärts der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 angeordnet werden kann, ist dies nicht unbedingt wünschenswert, da das Abgas mit einer niedrigeren Temperatur in die Abgasreinigungsvorrichtung 350 strömt und eine Katalyse unter Umständen nur unzureichend erfolgt.
Das zweite Fluid (z. B. Kühlwasser), dessen Temperatur niedriger ist als die des ersten Fluids, strömt in die Einlassöffnung für das zweite Fluid der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330, während es die Zirkulationsleitung 360 durchläuft. Das zweite Fluid kann durch eine in der Zirkulationsleitung 360 angeordnete Pumpe 370 durch die Zirkulationsleitung 360 gepumpt werden. Für den Fall, dass die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 gemäß Ausführungsform 1 oder 2 der vorliegenden Erfindung in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist, kann eine am Motor angeordnete Kühlwasserpumpe als Pumpe 370 eigesetzt werden.
In der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 erzeugt das thermoelektrische Umwandlungselement 20 elektrischen Strom, indem es eine Differenz zwischen den Temperaturen des ersten und des zweiten Fluids ausnutzt. Der erzeugte elektrische Strom wird über eine elektrische Leitung 380 in der Batterie 320 gespeichert. Das zweite Fluid, das durch den Wärmeaustausch in der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 Wärme vom ersten Fluid aufgenommen hat, strömt aus einem Auslass für das zweite Fluid der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 und strömt weiter durch die Zirkulationsleitung 360. Vorzugsweise wird die Wärme des zweiten Fluids, das die Wärme des ersten Fluids aufgenommen hat, anschließend durch Wärmeaufnahmevorrichtungen 310a, 310b zurückgewonnen, um die Effizienz der Wärmerückgewinnung zu verbessern. Für den Fall, dass das System die Wärmeaufnahmevorrichtungen 310a, 310b umfasst, wird das zweite Fluid durch die die Wärme des zweiten Fluids aufnehmenden Wärmeaufnahmevorrichtungen 310a, 310b, abgekühlt und kehrt dann durch die Zirkulationsleitung 360 wieder zur Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 zurück. Das erste Fluid, das aus dem Auslass für das erste Fluid der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 ausgetreten ist, durchströmt die Einwegleitung 340 und wird dem nächsten Schritt zugeführt. Handelt es sich bei dem ersten Fluid beispielsweise um das Abgas eines Kraftfahrzeugs, wird es in die Atmosphäre abgegeben, nachdem der Abgasschall durch einen Schalldämpfer reduziert wurde.
Nicht einschränkende Beispiele für Wärmeaufnahmevorrichtungen, die Wärme vom zweiten Fluid aufnehmen, sind Kühler und Motoren. Insbesondere der Fall, in dem das zweite Fluid das Kühlwasser für den Motor ist und die die Wärme des zweiten Fluids aufnehmende Wärmeaufnahmevorrichtungen Motor und der Kühler sind, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Im Allgemeinen ist die Zirkulationsleitung so ausgebildet, dass das Kühlwasser zwischen einem Motor 310b und einem Kühler 310a zirkuliert. In der Zirkulationsbahn ist ein Thermostat 390 angeordnet. Für den Fall, dass der Motor 310b kalt ist und die Temperatur des Kühlwassers niedriger ist, z. B. zum Zeitpunkt des Starts, wird ein Temperaturregler geschlossen und das Kühlwasser zirkuliert zum Aufwärmen durch den Motor 310b (genauer gesagt durch einen Wassermantel des Motors). Erreicht die Temperatur des Kühlwassers eine hohe Temperatur bis hin zu einer vorbestimmten Öffnungstemperatur, öffnet sich der Temperaturregler 390 und das Kühlwasser beginnt, zwischen dem Motor 310b und dem Kühler 310a zu zirkulieren.
Ist der Temperaturregler beim Anlassen des Motors geschlossen ist, befindet sich der Motor in einem kalten Zustand, was eine Situation ist, die ein Aufwärmen erforderlich macht. Gemäß der in 6 gezeigten Ausführungsform umfasst die Zirkulationsleitung für das zweite Fluid eine Leitung, auf dem ein Teil des zweiten Fluids (Kühlwasser), das im Motor 310b zirkuliert, durch eine Verzweigung abgelassen wird, durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 fließt und anschließend wieder zum Motor 310b zurückgeführt wird. Auf diese Weise kann die von der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 zurückgewonnene Wärme zum Aufwärmen des Motors verwendet werden. Mit anderen Worten: In diesem Fall ist der Motor 310b die Wärmeaufnahmevorrichtung, die die Wärme des zweiten Fluids aufnimmt. Daher kann mit dem Wärmerückgewinnungssystem 301 nach Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung beim Anlassen des Motors die durch die zweite Fluid zurückgewonnene Wärme zusätzlich zur Stromerzeugung durch thermoelektrische Umwandlung zum Aufwärmen des Motors 310b verwendet werden und somit zusätzlich zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz beitragen.
Andererseits kann in einem Fall, in dem die Temperatur des Motors 310b erhöht ist und das Kühlwasser (zweites Fluid) zwischen dem Kühler 310a und dem Motor 310b zirkuliert, die durch die vom zweiten Fluid zurückgewonnene Wärme nicht zum Aufwärmen des Motors 310b verwendet werden. Gemäß der in 6 dargestellten Ausführungsform umfasst die Zirkulationsleitung für das zweite Fluid jedoch eine Leitung, in der das aus der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 ausströmende zweite Fluid durch den Kühler 310a fließt und dann wieder zur Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 zurückkehrt. Infolgedessen wird die durch das zweite Fluid in der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 zurückgewonnene Wärme durch den Kühler 310a abgeführt, um das zweite Fluid zu kühlen. Im Anschluss kann die Wärme wieder für die thermoelektrische Umwandlung in der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 330 verwendet werden. In anderen Worten ist in einem solchen Fall der Kühler 310a die Wärmeaufnahmevorrichtung, die die Wärme des zweiten Fluids aufnimmt.
Bezugszeichenliste

10: Wabenstruktur
11: erste Endfläche
12: zweite Endfläche
13: Zelle
14: Trennwand
15: äußere Umfangswand
20: thermoelektrisches Umwandlungselement
21: elektrische Leitung
30: zylindrisches Element
31: geschlitzter Abschnitt
40: Gehäuse
41: Einlassöffnung
42: Auslassöffnung
43: Einlassleitung
44: Auslassleitung
50: Druckelement
51: Schraube
52: Feder
60: Wärmeübertragungselement
70: Pufferelement
100,200: Wärmerückgewinnungsvorrichtung
301: Wärmerückgewinnungssystem
310a: Wärmeaufnahmevorrichtung (Kühler), die die Wärme des zweiten Fluids aufnimmt
310b: Wärmeaufnahmevorrichtung (Motor), die die Wärme des zweiten Fluids aufnimmt
320: Batterie
330: Wärmerückgewinnungsvorrichtung
340: Einwegleitung für erstes Fluid
360: Zirkulationsleitung für zweites Fluid
370: Pumpe
380: elektrische Leitung
390: Temperaturregler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2019/026560 A1 [0006]

Claims

Eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung, umfassend: eine Wabenstruktur mit einer äußeren Umfangswand, die mindestens eine ebene äußere Umfangsfläche aufweist, und mit Trennwänden, die auf einer Innenseite der äußeren Umfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände eine Vielzahl von Zellen bilden, die sich jeweils von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstrecken, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden; ein thermoelektrisches Umwandlungselement, das derart angeordnet ist, dass es der ebenen äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand gegenüberliegt; ein zylindrisches Element, das die Wabenstruktur, in der das thermoelektrische Umwandlungselement angeordnet ist, in Umfangsrichtung abdeckt; ein Gehäuse, das in einem Abstand angeordnet ist, um einen Strömungsweg für ein zweites Fluid zu bilden, wobei das Gehäuse an einer radialen Außenseite des zylindrischen Elements angeordnet ist; und ein Druckelement, das derart gestaltet ist, dass es das zylindrische Element gegen das thermoelektrische Umwandlungselement drückt, wobei das zylindrische Element einen oder mehrere geschlitzte Abschnitte aufweist.
Wärmerückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die geschlitzten Abschnitte auf einer äußeren Umfangsfläche, auf einer inneren Umfangsfläche oder auf beiden Umfangsflächen des zylindrischen Elements vorgesehen sind.
Wärmerückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der geschlitzte Abschnitt an einer Position vorgesehen ist, die nicht mit mindestens einem durch das Druckelement bewirkten Druckpunkt des zylindrischen Elements überlappt.
Wärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die geschlitzten Abschnitte in einem Maschenmuster vorgesehen sind.
Wärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Druckelement eine Schraube ist, die von einer äußeren Umfangsseite des Gehäuses aus eingesetzt wird.
Wärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner ein Pufferelement umfasst, wobei das Pufferelement zwischen dem zylindrischen Element und dem thermoelektrischen Umwandlungselement angeordnet ist und in Kontakt mit einer inneren Umfangsfläche des zylindrischen Elements steht.
Eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung, umfassend: eine Wabenstruktur mit einer äußeren Umfangswand, die mindestens eine ebene äußere Umfangsfläche aufweist, und mit Trennwänden, die auf einer Innenseite der äußeren Umfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände eine Vielzahl von Zellen bilden, die sich jeweils von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstrecken, um einen Strömungsweg für ein erstes Fluid zu bilden; ein thermoelektrisches Umwandlungselement, das derart angeordnet ist, dass es der ebenen äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand gegenüberliegt; ein zylindrisches Element, das die Wabenstruktur, in der das thermoelektrische Umwandlungselement angeordnet ist, in Umfangsrichtung abdeckt; ein Gehäuse, das in einem Abstand angeordnet ist, um einen Strömungsweg für ein zweites Fluid zu bilden, wobei das Gehäuse an einer radialen Außenseite des zylindrischen Elements angeordnet ist; ein Druckelement, das derart gestaltet ist, dass es das zylindrische Element gegen das thermoelektrische Umwandlungselement drückt; und ein Pufferelement, das zwischen dem zylindrischen Element und dem thermoelektrischen Umwandlungselement angeordnet ist, wobei das Pufferelement in Kontakt mit einer Innenfläche des zylindrischen Elements steht.
Wärmerückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Pufferelement eine Dicke von 0,5 bis 2,0 mm aufweist.
Wärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Pufferelement eine Wärmeleitfähigkeit von 2,0 W/m K oder mehr und eine temperaturbezogene Wärmeresistenz von 100 °C oder mehr aufweist.
Wärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Pufferelement aus einem aus der Gruppe von Graphit, Silikonharzen und Acrylharzen ausgewählt Material hergestellt ist.
Wärmerückgewinnungssystem, umfassend: eine Einwegleitung für ein erstes Fluid; eine Zirkulationsleitung für ein zweites Fluid, das eine niedrigere Temperatur aufweist als das erste Fluid; die Wärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Wärmerückgewinnungsvorrichtung in der Mitte der Einwegleitung für das erste Fluid und der Zirkulationsleitung für das zweite Fluid angeordnet ist; und eine Batterie, die elektrisch mit der Wärmerückgewinnungsvorrichtung gekoppelt ist, wobei die Batterie die von der Wärmerückgewinnungsvorrichtung erzeugte Elektrizität speichert.
Wärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 11, das ferner mindestens eine Wärmeaufnahmevorrichtung umfasst, die in der Mitte der Zirkulationsleitung für das zweite Fluid angeordnet ist, wobei die Wärmeaufnahmevorrichtung Wärme vom zweiten Fluid aufnimmt, das aus der Auslassöffnung für das zweite Fluid der Wärmerückgewinnungsvorrichtung strömt.
Wärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Einwegleitung für das erste Fluid eine Abgasleitung von einem Motor ist und eine Abgasreinigungsvorrichtung, die einen Katalysator umfasst, in der Mitte der Abgasleitung und stromaufwärts der Wärmerückgewinnungsvorrichtung angeordnet ist.