DE19715989C1

DE19715989C1 - Thermogenerator zur Stromgewinnung in Verbindung mit einem Heizgerät vom Verbrennungstyp

Info

Publication number: DE19715989C1
Application number: DE19715989A
Authority: DE
Inventors: Guenther Hammerschmid
Original assignee: Webasto Thermosysteme GmbH
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: US5974803A

Description

Die Erfindung betrifft einen Thermogenerator zur Stromgewinnung in Verbindung mit einem Heizgerät vom Verbrennungstyp, wobei die Wärmekontaktstelle von wenigstens einem Thermoelement des Thermogenerators am Rauchgasabzug des Heizgeräts und die kalte Kontaktstelle des Thermoelements am Durchströmungskanal für ein Wärmetauschmedium des Heizgeräts angeordnet sind.

Ein derartiger Thermogenerator ist aus der DE 40 42 015 A1 bekannt. Zwei Stellen zur Anordnung des Thermoelements sind beschrieben. Gemäß einer Anordnung grenzt das Thermoelement mit seiner warmen Kontaktstelle an die Brennkammer an, während seine kalte Kontaktstelle im Strömungsweg des Wärmeträgermediums zwischen einem einlaßseitig vorgesehenen Radiallüfter und einem an die Brennkammer des Heizgeräts angrenzenden Bereich des Durchströmungskanals angeordnet ist. Gemäß der weiteren Anordnung ist das Thermoelement mit seiner warmen Kontaktstelle in Wärmekontakt mit dem durch den Rauchgasabzug abgeleiteten heißen Rauchgas und mit der warmen Kontaktstellen an der Einlaßseite des Durchströmkanals angrenzend angeordnet. Spezielle Maßnahmen zur Ankopplung der Kontaktflächen des Thermoelements an die warmen und kalten Stellen des Heizgeräts sind nicht angesprochen. Das heißt, das Thermoelement befindet sich im wesentlichen im Klemmsitz zwischen den warmen und kalten Stellen des Heizgeräts, wodurch jeweils nur relativ kleine Kontaktflächen gebildet werden, so daß die elektrische Energieerzeugung durch die Temperaturdifferenz zwischen den warmen und kalten Seiten des Thermoelements stark beschränkt ist. Daran ändert auch der Vorschlag in dieser Druckschrift nichts Grundlegendes, demnach Rippen zur Wärmeübertragung vorgesehen werden, die gegebenenfalls in unmittelbarem Kontakt mit dem Rauchgas bzw. dem Wärmetauschermedium stehen.

Ein weiterer Thermogenerator zur Stromgewinnung in Verbindung mit einem Heizgerät ist aus der EP 0 290 833 A2 bekannt. Demnach ist sein Thermoelement als plattenförmiges Halbleiter-Element gebildet, dessen aufzuheizende Seite entweder im Strahlungsbereich der Flamme des Heizgeräts oder in dessen Abgasstrom liegt, und dessen kalte Seite im Eintrittsbereich des noch kalten Wärmeträgers bzw. im Bereich der Umgebungsluft liegt.

Aus der DE 195 27 740 C1 ist eine Schaltungsanordnung von Solarzellen bekannt, die in zwei Gruppen in Reihe geschaltet sind, welche Gruppen zur Anpassung an die Strom/Spannungs-Charakteristik der jeweiligen Last parallel geschaltet sind, wobei die Solarzellen in den beiden Gruppen unterschiedliche Leerlaufspannungen haben. Dabei kann die Reihenschaltung in jeder Gruppe mit einer niedrigeren Leerlaufspannung wahlweise bei Solarzellen gleicher Leerlaufspannung von einer niedrigeren Anzahl oder auch bei Solarzellen unterschiedlicher Spannung von einer gleich großen Anzahl von Solarzellen mit der niedrigeren Leerlaufspannung gebildet sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thermogenerator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, dessen Energiegewinnung im Vergleich zum herkömmlichen Thermogenerator optimiert ist, der also mit anderen Worten einen erhöhten Wirkungsgrad bei kompaktem Aufbau gewährleistet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demnach ist der Thermogenerator erfindungsgemäß in Gestalt eines blockförmigen Moduls gebildet, das einen schichtweisen Aufbau hat, bei dem das wenigstens eine plattenförmige Thermoelement sandwichartig zwischen zwei Sammelkästen angeordnet ist, die relativ große Kontaktflächen aufweisen und zum einen vom Rauchgas und zum anderen vom Wärmetauschermedium durchströmt sind. Aufgrund der großen Kontaktflächen kann eine entsprechend große elektrische Energie aus der Wärmedifferenz zwischen dem relativ kühlen Wärmetauschermedium und dem relativ heißen Rauchgas gewonnen werden, so daß ein hoher Wirkungsgrad für den erfindungsgemäßen Thermogenerator gewährleistet ist.

Vorteilhafterweise ist der modulförmige Thermogenerator von einem Gehäuse umschlossen, in länglicher Form gebildet und an den Längsenden mit den jeweiligen Ein- und Austritten für das Rauchgas bzw. das Wärmetauschermedium versehen.

Um zu gewährleisten, daß das Wärmetauschermedium bzw. das Rauchgas die Kontaktflächen der jeweiligen Sammelkästen vollflächig bestreicht, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß Führungsrippen für das Rauchgas bzw. für das Wärmetauschermedium zur Festlegung von getrennten Strömungspfaden zwischen Ein- und Auslaß vorgesehen sind, die sich bevorzugt im wesentlichen über die gesamte Länge des Moduls zwischen dem jeweiligen Sammelkasten-Ein- und Auslaß erstrecken.

Das Leistungsvermögen des erfindungsgemäßen modulförmig gebildeten Thermogenerators kann dadurch entscheidend erhöht werden, daß mehrere Rauchgas-/Wärmetauschermedium- Sammelkästen unter sandwichartigem Einschluß von mehreren Thermoelementen in Schichtabfolge bzw. im Stapel vorgesehen sind. Eine besonders bevorzugte Konfiguration ist dabei die zentrale Anordnung eines Rauchgas-Sammelkastens mit zwei außen gelegenen Wärmetauschermedium-Sammelkästen und dazwischen angeordneten Thermoelementen oder umgekehrt mit zentral angeordnetem Wärmetauschermedium-Sammelkasten und zwei außenliegenden Rauchgas-Sammelkästen und dazwischen angeordneten Thermoelementen. Gegenüber der einfachen Ausführung des modulförmigen Thermogenerators mit jeweils einem Rauchgas-Sammelkasten und einem Wärmetauschermedium-Sammelkasten läßt sich dadurch eine entscheidende Steigerung der Energiegewinnung erzielen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind zwischen zwei "warmen" bzw. "kalten" Sammelkästen in Durchströmungsrichtung dieser Kästen mehrere aneinandergrenzende und die gesamte Kontaktfläche der Sammelkästen abdeckende plattenförmige Thermoelemente vorgesehen, die in geeigneter Weise elektrisch verschaltet sind, um die gewünschte Spannung zu gewinnen.

Je nach mit der gewonnen Spannung zu versorgender Last wird vorteilhafterweise eine spezielle Zusammenschaltung der mehreren Thermoelemente vorgeschlagen. Zur Erzielung möglichst gleicher Temperaturdifferenzen oder möglichst gleicher elektrischer Spannungen an den Thermoelementen sind die Anzahl und/oder Stärke und/oder Fläche von Wärmetauscherrippen an ihnen unterschiedlich gewählt. Die dadurch erreichte möglichst konstante Spannungserzeugung aller Thermoelemente ist insbesondere zur Batterieladung, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, geeignet.

Alternativ hierzu wird die Nachmodulierung der Kennlinie einer Last, wie etwa eines Fahrzeuglüfters; vorgeschlagen, demnach die einzelnen unterschiedlichen Temperaturdifferenzen ausgesetzten bzw. unterschiedliche Spannungen erzeugenden gleich großen Thermoelemente zur Anpassung an den Kennlinienverlauf der Last gruppenweise parallel geschaltet sind, wobei die Thermoelemente innerhalb einer Gruppe in Reihe geschaltet sind, wie dies für Solarzellen aus der eingangs genannten DE 195 27 740 C1 bereits bekannt ist. Die Gruppenbildung ist dabei vorteilhafterweise so vorgenommen, daß die Thermoelemente innerhalb ein und derselben Gruppe im wesentlichen dieselbe Spannung erzeugen.

Bevorzugt sind die Thermoelemente als Peltierelemente gebildet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermogenerator-Moduls.

Der in der Figur gezeigte Thermogenerator hat eine langgestreckte Quaderform und weist ein Gehäuse aus Blech auf, in welchem ebenfalls langgestreckt quaderförmig ausgebildete Wärmetauschermedium-Sammelkästen 2 und 3 und ein Rauchgas- Sammelkasten 4 derselben langgestreckten Quaderform angeordnet sind. Der Rauchgas- Sammelkasten 4 ist zwischen den mit seitlichem Abstand angeordneten Wärmetauschermedium-Sammelkästen 2 und 3 angeordnet und hat einen Einlaß 5 und einen Auslaß 6, die im Endbereich des Gehäuses 1 angeordnet sind und von diesem nach oben bzw. unten in Gestalt von Rohrstutzen vorstehen. Für die beiden Wärmetauschermedium Sammelkästen 2 und 3 ist bevorzugt ein gemeinsamer Einlaß 7 und ein gemeinsamer Auslaß 8 ebenfalls in Rohrstutzenform vorgesehen, und zwar am Vorder- bzw. Hinterende des Gehäuses 1, fluchtend mit dessen Längsmittenachse.

Zwischen dem einem außenliegenden Wärmetauschermedium-Sammelkasten 2 und dem zentralen Rauchgas-Sammelkasten 4 sind insgesamt drei plattenförmige Thermoelemente (Peltierelemente), die gemeinsam mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet sind, angeordnet. Spiegelbildlich hierzu sind ebenfalls drei Thermoelemente zwischen dem außenliegenden Wärmetauschermedium-Sammelkasten 3 und dem zentralen Rauchgas-Sammelkasten 4 angeordnet, von denen aufgrund der Schnittdarstellung der Figur lediglich ein einziges Thermoelement 10 erkennbar ist. Die Thermoelemente bzw. Peltierelemente 9, 10 sind identisch gebildet, haben Plattenform und stehen mit ihren Seitenflächen im engen Kontakt. Die Thermoelemente 9 bzw. 10 sind dadurch mit einer Seite jeweils dem relativ heißen Rauchgas ausgesetzt, das den Rauchgas-Sammelkasten 4 durchströmt, wie durch Pfeile am Einlaß 5 und Auslaß 6 dieses Sammelkastens dargestellt, bzw. mit ihrer anderen Seite mit dem relativ kühleren Wärmetauschermedium, das die Wärmetauschermedium Sammelkästen 2 und 3 durchströmt, wie schematisch durch Pfeile am Einlaß 7 bzw. am Auslaß 8 dieser Kästen dargestellt. Die Thermoelemente 9, 10 erzeugen aufgrund der auf sie einwirkenden Temperaturdifferenz in bekannter Weise Spannungen, die über elektrische Leitungen von den Thermoelementen 9, 10 abgegriffen werden, die schematisch mit 11 bezeichnet sind. Diese Leitungen 11 sind miteinander in vorgegebener Weise verschaltet, so daß über eine Ausgangsleitung 12 eine gewünschte Ausgangsspannung abgegriffen werden kann, die durch geeignetes Zusammenschalten der Thermoelemente 9, 10 gegebenenfalls an die Kennlinie einer zu versorgenden Last angepaßt sein kann, wie vorstehend erläutert.

Im Innern des Rauchgas-Sammelkastens 4 sowie im Innern der Wärmetauschermedium- Sammelkästen 2 und 3 sind in Längsrichtung des Thermogenerator-Moduls verlaufende Trennwände bzw. Rippen 13, 14 angeordnet, die sich im wesentlichen über die gesamte Länge dieser Kästen erstrecken und dafür sorgen, daß das jeweilige Medium in diesen Kästen über die gesamte Länge der Kontaktflächen derselben strömen, so daß ein optimaler, d. h. großflächiger Wärmetausch mit sämtlichen Thermoelementen 9, 10 gewährleistet ist.

Als Wärmetauscher-Medium wird vorzugsweise Wasser verwendet, wobei Einlaß 7 und Auslaß 8 dabei vorzugsweise in die Vorlaufleitung zum Heizgerät (Fahrzeugheizgerät) eingeschaltet sind.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2, 3

Wärmetauschermedium-Sammelkästen

4

Rauchgas-Sammelkasten

5

Einlaß

6

Auslaß

7

Einlaß

8

Auslaß

9, 10

plattenförmige Thermoelemente

11

elektrische Leitungen

12

Ausgangsleitung

13, 14

Rippen

Claims

1. Thermogenerator zur Stromgewinnung in Verbindung mit einem Heizgerät vom Verbrennungstyp, wobei die warme Kontaktstelle von wenigstens einem Thermoelement (9, 10) des Thermogenerators am Rauchgasabzug des Heizgeräts und die kalte Kontaktstelle des Thermoelements (9, 10) am Durchströmungskanal für ein Wärmetauschermedium des Heizgeräts angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß er als blockförmiges Modul mit einem plattenförmigen Thermoelement (9, 10) gebildet ist, das sandwichartig von einem in der Rauchgasleitung angeordneten Rauchgas-Sammelkasten (4) und von einem im Durchströmungskanal angeordneten Wärmetauschermedium-Sammelkasten (2, 3) eingeschlossen ist.

2. Thermogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement (9, 10) sich über die gesamten gleich großen Kontaktflächen der angrenzenden Sammelkästen (2, 3, 4) erstreckt.

3. Thermogenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaß (5, 7) und Auslaß (6, 8) der Sammelkästen (2, 3, 4) in gegenüberliegenden Endbereichen derselben angeordnet sind.

4. Thermogenerator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Sammelkästen (2, 3, 4) Führungsrippen (13, 14) für das Rauchgas bzw. das Wärmetauschermedium zur Festlegung von getrennten Strömungspfaden zwischen Ein- und Auslaß vorgesehen sind.

5. Thermogenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsrippen (13, 14) sich im wesentlichen über die gesamte Modullänge zwischen Ein- und Auslaß (5, 7, 6, 8) erstrecken.

6. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rauchgas-/Wärmetauschermedium-Sammelkästen (2, 3, 4) unter sandwichartigem Einschluß von mehreren Thermoelementen (9, 10) im Stapel vorgesehen sind.

7. Thermogenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zentraler Rauchgas-Sammelkasten (4) sowie beiderseits desselben angeordnete Thermoelemente (9, 10) und zwei außenliegende Wärmetauschermedium Sammelkästen (2, 3) oder daß ein zentraler Wärmetauschermedium-Sammelkasten sowie beiderseits desselben angeordnete Thermoelemente und zwei außenliegende Rauchgas-Sammelkästen vorgesehen sind.

8. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelkästen (2, 3, 4) von einem gemeinsamen Gehäuse (1) umschlossen sind.

9. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Rauchgas/Wärmetauschermedium-Sammelkästen (2, 3, 4), in deren Durchströmungsrichtung mehrere aneinandergrenzende und die gesamte Kontaktfläche der Sammelkästen (2, 3, 4) abdeckende plattenförmige Thermoelemente (9, 10) vorgesehen sind.

10. Thermogenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung möglichst gleicher Temperaturdifferenzen oder möglichst gleicher elektrischer Spannungen an den Thermoelementen (9, 10) die Anzahl und/oder Stärke und/oder Fläche von Wärmetauscherrippen an ihnen unterschiedlich gewählt sind.

11. Thermogenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen, unterschiedlichen Temperaturdifferenzen ausgesetzten bzw. unterschiedliche Spannungen erzeugenden Thermoelemente zur Anpassung an den Kennlinienverlauf einer Last gruppenweise parallel geschaltet sind, wobei die Thermoelemente innerhalb einer Gruppe in Reihe geschaltet sind.

12. Thermogenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Thermoelemente (9, 10) zu einer Gruppe zusammengefaßt sind, die im wesentlichen dieselbe Spannung erzeugen.

13. Thermogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente Peltierelemente sind.