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Die
Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator (TEG). Der
thermoelektrische Generator nutzt die Abwärme aus heißen
Gasen wie Rauchgas, Abgas, Kühlgase (zum Beispiel Stickstoff) und
aus anderen Fluiden, um elektrischen Strom zu erzeugen, wobei sein
Wirkungsgrad umso größer ist, je größer
die Differenz der Arbeitstemperaturen zwischen seiner Warmseite
und seiner Kaltseite ist. Weiterhin ist für seine Effektivität
wesentlich, dass ein möglichst großer Wärmestrom
durch ihn hindurchgesetzt wird, was durch eine möglichst
große Entnahme von Wärme aus einem zum Beispiel
Abgas bewirkt werden kann.
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Aufgrund
des technisch-physikalisch begrenzten Wirkungsgrades einer derartigen
elektrischen Energieerzeugung ist es sinnvoll, Anordnungen neuartiger
thermoelektrischer Generatoren zu entwickeln und mit geringem technischen
Aufwand herzustellen, wobei der Einsatz dieser thermoelektrischen
Generatoren bei höheren Temperaturen als bisher stattfinden
soll und sie möglichst geringe energetische Verluste nachweisen.
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Gemäß bekanntem
Stand der Technik wird zum Beispiel einem heißen Abgas
mit einem Wärmeübertrager, in dem eine Übertragungsflüssigkeit
zirkuliert, Wärme entzogen. Diese Wärme wird dann
mit der Übertragungsflüssigkeit zu einem thermoelektrischen
Generator geführt, wobei dann mit diesem Fluid den thermoelektrischen
Modulen zugeführt wird und die Wärme auf der Kaltseite
von einem Dissipator übernommen und mittels einem anderen
Fluid abgeführt wird. Eine derartige Anordnung und Verfahrensweise
zur elektrischen Energieerzeugung ist vor allem aufgrund des apparativen
Aufwandes durch die Aufrechterhaltung eines zusätzlichen
Flüssigkeitskreislaufes für die Wärmeübertragerflüssigkeit,
die bekanntermaßen ein Thermoöl ist, kostenintensiv und
aufwändig, da entsprechende Pumpenleistungen zu erbringen
und die verwendeten Thermoöle nur bis zu 400°C
Betriebstemperaturen einsetzbar sind. Als Wärmeübertrager
mit dem Arbeitsmedium Thermoöl werden dabei oft Rohrbündel-Wärmeübertrager
eingesetzt, zum Beispiel Rippenrohr-, Glattrohr-Übertrager.
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Beispielhaft
soll noch auf konkrete Beispiele des ermittelten Standes der Technik
kurz eingegangen werden.
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So
gibt es nach
EP 0 907
973 B1 und
US 6,034,318 einen
thermoelektrischen Generator im Sinne einer mehrfach hintereinander
geschalteten Generatoreinheit, bestehend aus abwechselnd angeordneten
thermoelektrischen Elementen vom p- und n-Typ. Diese besitzen im
Wesentlichen eine zylindrische Form und sie sind an heißem
Abgas führenden zylindrischen Bauteilen aufgebracht. Die
thermoelektrischen Elemente sind in Verbindungselemente eingebettet,
wobei ihre plattenförmige versetzte Anordnung einen seriellen
gewundenen Pfad zwecks möglichst gleichmäßiger
Elektroenergieerzeugung erbringen soll.
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Mit
DE 10 2005 905 077
A1 wird ein thermoelektrischer Generator (TEG) für
eine Brennkraftmaschine angeboten. Der TEG weist dabei ein im Abgasstrom
angeordnetes heißes Teil und ein kaltes Teil außerhalb
desselben auf. Zwischen diesen Teilen befindet sich ein verschiebliches
elektrisches Thermoelement. Die Einrichtung ist insbesondere zur Nutzung
der Abwärme an Auspuffanlagen von Kraftfahrzeugen vorgesehen.
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Ein
Abgaswärmetauscher für einen thermoelektrischen
Generator und ein thermoelektrischer Generator werden in
DE 10 2005 051 309 vorgestellt.
Er befindet sich insbesondere in Kombination mit Fahrzeugzusatzheizungen.
Der Abgaswärmetauscher weist einen gewundenen Kanalvorlauf
und einen sich daran anschließenden Kanalnachlauf auf,
um durch die Verlängerung des Abgasweges aus dem Abgas eine
möglichst große Wärmemenge zu entnehmen. Flächenmäßig
daran angeschlossen sind Thermoelemente, die schließlich
an ihrer Kaltseite mit Kühlplatten, durch die ein kühlendes
Fluid geleitet wird, versehen sind.
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In
EP 0 836 751 B1 wird
ein thermoelektrischer Generator beschrieben. Hier befinden sich thermoelektrische
Module an einem mit heißem Medium durchflossenen Rohr in
annähernd rechtwinkliger Anordnung, sodass eine rippenartige
und ringförmige Ausbildung des Generators entsteht. Außen entlang
an den rippenartig angeordneten thermoelektrischen Modulen strömt
ein Kühlfluid. Die thermoelektrischen Module sind als Baugruppe über
Verspannschrauben in ihrer Lage fest.
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Ein
thermoelektrischer Energiewandler nach
DE 35 19 771 besitzt Thermoelemente – in
zylindrischer Anordnung gelegen – an einem Abgasrohr in einer
elektrischen Reihenschaltung. Es ist denkbar, eine derartige Anordnung
auch mehrfach miteinander zu kombinieren.
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Da
die vorgenannten technischen Ausbildungen und Arbeitsweisen von
thermoelektrischen Generatoren mit den beschriebenen Nachteilen
geringeren energetischen Wirkungsgrades behaftet sind, sollte nun
nach Wegen gesucht werden, diese mit möglichst technisch
einfach realisierbaren Anordnungen zu überwinden.
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Daher
ist es Aufgabe der Erfindung, einen thermoelektrischen Generator
(TEG) in kompakter modularer Bauweise ohne einen zusätzlichen
Wärmeträgerkreislauf, der zum Beispiel Thermoöl
enthält, zu konzipieren, wobei in sich geschlossene, zum Beispiel
zylindrische, langgestreckte Hohlkörper mit Wärmeübernahmefunktion
zentrisch angeordnete Durchflussrohre für Kaltwasser enthalten,
an diesen Durchflussrohren außen an ihrem Umfang thermoelektrische
Module (TG-Module) befestigt sind, wobei ihr konstanter Abstand
zwischen der Innenwand des langgestreckten Hohlkörpers
und einem Durchflussrohr mittels Wärmeübertrager(-körper)
gegeben ist und letztere über eine Zwischenlage und nichtleitende
Plättchen mit den TG-Modulen in Wirkkontakt stehen. Die
Wärmeübertrager sollen im Übrigen eine
definierte Flächenpressung zur Innenwandung des zylindrischen
und langgestreckten Hohlkörpers aufweisen und fixierbar
sein.
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Derartige
TEG sollen dabei außerdem in mehrfacher Weise miteinander
mechanisch-elektrisch gekoppelt und aneinander gereiht werden können,
so dass diese in einem größeren Behälter,
dem eigentlichen Abgas-Wärmetauscher, durch den die Fluide
strömen sollen, zusammengefasst sind.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden
erfinderischen Gedanken auf den Schutzanspruch 1 verwiesen wird.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Schutzansprüchen
2 bis 6.
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Zur
Darlegung der Erfindung sind weitere Ausführungen erforderlich.
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Ein
einzelner, jedoch zur Erhöhung der Energieausbeute mit
mehreren weiteren mechanisch und elektrisch zu koppelnder thermoelektrischer
Generator (TEG), besteht zunächst aus einem an seinem Außenumfang
berippten Hüllrohr – dem Wärmeübertrager-Rohr –,
welches die Warmseite eines TEG darstellt und innen mit einer Graphithülle
beschichtet ist. Zentral im Inneren des berippten Wärmeübertrager-Rohres
gelegen befindet sich die Kaltseite eines TEG, ein in seiner Querschnittsform
rundes oder viereckiges Durchgangsrohr zur Durchleitung von Kaltwasser
bildend, wobei an seinem Umfang plattenförmige TG-Module
in definiertem Abstand zueinander befestigt sind. Zwischen den nach
außen weisenden Flächen der genannten TG-Module
und der Innenwandung des berippten Wärmeübertrager-Rohres befinden
sich an die TG-Module formschlüssig angepasste Kopplerelemente
als Wärmeübertrager, bestehend insbesondere aus
Graphit, aus wärmeleitendem Metall oder aus wärmeleitender
Keramik, die mit einer Graphitfolie ummantelt oder mit Graphit beschichtet
sind.
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Der
Innenraum des berippten Hüllrohres, der mit den vorgenannten
Baugruppen nicht vollständig ausgefüllt ist, ist
zum Zwecke des Korrosionsschutzes mit einem unter leichten Druck
stehenden inerten Gas gefüllt. Damit die am Durchgangsrohr
insbesondere vormontierten Bauteile, die TG-Module und die Wärmeübertrager,
nach dem Einbau in das berippte Hüllrohr lagegesichert
sind, ist vorgesehen, dass metallische Fixierstifte beziehungsweise
Keile in Abständen aus den Wärmeübertragern
heraustreten und neben der von ihnen ohnehin aufgebrachten Flächenpressung
auf die Innenwandung des berippten Hüllrohres eine punktuelle
Lagesicherung gewährleisten. Zur Erhöhung der
Wärmeübertragung kann die Oberfläche
des Durchgangsrohres an seiner Innenwandung dadurch vergrößert
werden, dass daran weitere Innenrippen angebracht sind.
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Denkbar
ist jedoch auch, dass die Warm-Kalt-Seiten eines wie hier beschriebenen
einzelnen TEG umgekehrt werden und somit am berippten Hüllrohr
außen kaltes Kesselwasser und durch das Durchgangsrohr
heißes Abgas oder ein anderes heißes Fluid geleitet
wird. In beiden Fällen befindet sich eine Vielzahl der
beschriebenen TEG in einem größeren Behälter,
durch welchen ein heißes Fluid oder – im umgekehrten
Fall – Kaltwasser geleitet wird.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden. Dabei zeigen die Figuren:
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1 Schnittdarstellung
eines thermoelektrischen Generators (TEG) mit vier Reihen TG-Modulen
(außen Heißgas, innen Kaltwasser),
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2 Schnittdarstellung
eines thermoelektrischen Generators (TEG) mit sechs Reihen TG-Modulen
gemäß Prinzip 1,
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3 Schnittdarstellung
eines thermoelektrischen Generators (TEG) mit sechs Reihen TG-Modulen
in invertierter Kontaktierung von Warm-/Kaltfluiden (außen
Kaltwasser, innen Heißgas),
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4 Einzelheit
X gemäß 1.
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Ein
einzelner autarker thermoelektrischer Generator (TEG) besteht im
Wesentlichen aus einem an beiden Seiten gasdicht verschlossenen
Wärmeübertrager-Rohr 2, welches an seinem
Außenumfang Verrippungen 9 besitzt, und einem
in diesem zentral und mit kleinerem hydraulischen Durchmesser versehenen
Innenrohr 1, welches gemäß 1 z.
B. einen Vierkantquerschnitt aufweist. Das Innenrohr 1 ist jeweils
an beiden Seiten offen, und es ist an einem Kaltwasserkreislauf über
das Fluid Kesselwasser, kalt 5 angeschlossen. Seine allseitige
mittige Ausrichtung zur mit einer Graphithülle 10,
die auch als Schicht aufgetragen sein kann, belegten Innenwandung
des berippten Wärmeübertrager-Rohrs 2 wird mittels
Wärmeübertragern 3 erreicht, die sich
ortsfest und mit einer Wölbung ihrer Außenseiten
schmiegend an der Innenwandung des Wärmeübertrager-Rohrs 2 abstützen.
Die quadratische oder rechteckige und nach innen gerichtete Grundfläche
der Wärmeübertrager 3 liegen auf TG-Modulen 8,
die ihrerseits an ihrer Kaltseite in direktem Kontakt und einzeln
mit dem vierflächigen Innenrohr 1 stehen. Letzteres
ist zudem mit einer wärmeleitenden Zwischenlage 4 umgeben.
Zwischen den elektrisch leitenden Flächen der Innenrohre 1 bzw. 11 und
den Flächen der TG-Module 8 bzw., 14 einerseits
und den Berührungsflächen der TG-Module 8 bzw. 14 und
den Wärmeübertragern 3 bzw. 13 andererseits
sind Keramikplättchen 18 zwecks Isolation fest
angebracht. Die ortsfeste Lage des mit den vorbeschriebenen Elementen
bestückten vierflächigen Innenrohrs 1 bewirken
punktförmig ausfahrbare Fixierelemente 17, die sich
im Scheitelpunkt der gewölbten Außenfläche
der Wärmeübertrager 3 – gemäß Einzelheit
X in 4 dargestellt – befinden.
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Eine ähnliche
Anordnung zeigt 2, wobei hier das Innenrohr 11 außen
sechs Anlageflächen für TG-Module 14 und
dementsprechende, hier mit verbreiterten Grundflächen versehene
Wärmeübertrager 13 aufweist. Eine Besonderheit
liegt noch in der Innengestaltung des außen sechsflächigen
Innenrohrs 11 und des in quadratischem Querschnitt vorliegenden
Innenrohrs 1. Es besitzt zur verbesserten Wärmeableitung
eine innere Verrippung 12.
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Mit 3 wird
die umgekehrte Variante angegeben, wonach ein heißes Fluid,
insbesondere ein heißes Abgas, im sechsflächigen
Innenrohr 11 fließt, und kalte Fluide entlang
der Berippungen 9 des Wärmeübertrager-Rohres 2 geführt
werden.
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Die
insbesondere zu mehreren miteinander mechanisch und elektrisch kombinierbaren
TEG enthalten zur Verhinderung einer inneren Korrosion ein inertes
Gas, bevorzugt Stickstoff mit geringem Überdruck.
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- 1
- Innenrohr,
vierflächig
- 2
- Wärmeübertrager-Rohr
- 3
- Wärmeübertrager
- 4
- Zwischenlage
- 5
- Kesselwasser,
kalt
- 6
- Heißseite
- 7
- N2-Füllung
- 8
- TG-Modul
- 9
- Verrippung,
außen
- 10
- Graphithülle
- 11
- Innenrohr,
außen sechsflächig
- 12
- innere
Verrippung
- 13
- verbreitertes
Wärmeübertragungselement
- 14
- TG-Modul
- 15
- Kesselwasser,
kalt
- 16
- Abgas,
heiß
- 17
- punktförmiges
Fixierelement
- 18
- Keramikplättchen
(nicht näher dargestellt)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0907973
B1 [0005]
- - US 6034318 [0005]
- - DE 102005905077 A1 [0006]
- - DE 102005051309 [0007]
- - EP 0836751 B1 [0008]
- - DE 3519771 [0009]