EP2454456A1 - Thermoelektrische vorrichtung mit rohrbündeln - Google Patents

Thermoelektrische vorrichtung mit rohrbündeln

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EP2454456A1
EP2454456A1 EP10740568A EP10740568A EP2454456A1 EP 2454456 A1 EP2454456 A1 EP 2454456A1 EP 10740568 A EP10740568 A EP 10740568A EP 10740568 A EP10740568 A EP 10740568A EP 2454456 A1 EP2454456 A1 EP 2454456A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tubes
tube bundle
exhaust gas
heat exchanger
thermoelectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10740568A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sigrid Limbeck
Rolf BRÜCK
Andreas Eder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG, Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP2454456A1 publication Critical patent/EP2454456A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy the devices using heat
    • F01N5/025—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy the devices using heat the device being thermoelectric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/29—Constructional details of the coolers, e.g. pipes, plates, ribs, insulation or materials
    • F02M26/30—Connections of coolers to other devices, e.g. to valves, heaters, compressors or filters; Coolers characterised by their location on the engine
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • thermoelectric device comprising at least one exhaust pipe with an inlet and an outlet for the exhaust gas.
  • the thermoelectric device is used in particular for generating electrical energy from the exhaust gas of an internal combustion engine.
  • thermoelectric devices are also known as thermoelectric generators (TEG).
  • the exhaust gas from the internal combustion engine of a motor vehicle has thermal energy, which can be converted by means of such a thermoelectric device into electrical energy, for example, to fill an energy store and / or supply the required energy directly to an electrical load.
  • thermal energy which can be converted by means of such a thermoelectric device into electrical energy, for example, to fill an energy store and / or supply the required energy directly to an electrical load.
  • thermoelectric device has at least a plurality of thermoelectric conversion elements.
  • Thermoelectric materials for this are of the type that they can effectively convert thermal energy into electrical energy (Seebeck effect) and vice versa (Peltier effect).
  • the "Seebeck Effect” is based on the phenomenon of the conversion of thermal energy into electrical energy and is used to generate thermoelectric energy.
  • the “Peltier effect” is the reversal of the "Seebeck effect” and a phenomenon associated with heat adsorption and in Both effects are known, so that a more detailed description is not required here.
  • thermoelectric conversion elements preferably have a multiplicity of thermoelectric elements which are arranged between such a called hot side (here occur during operation high temperatures) and a so-called cold side (here occur during operation comparatively low temperatures) are positioned.
  • Thermoelectric elements comprise at least two semiconductor elements (p-doped and n-doped) which are alternately provided with electrically conductive bridges on their upper side and underside (toward the hot side or cold side). Ceramic plates or ceramic coatings and / or similar materials serve to insulate the metal bridges and are thus preferably arranged between the metal bridges. If a temperature gradient is provided on both sides of the semiconductor elements, a voltage potential forms.
  • thermoelectric device In this case, heat is absorbed on the hot side of the first semiconductor element, with the electrons of one side reaching the higher-lying conduction band of the following semiconductor element. On the cold side, the electrons can now release energy and get on the following semiconductor element with low energy level. Thus, at an appropriate temperature, an electric current flow can be established between the hot side and the cold side.
  • a potential location for such a thermoelectric device is an exhaust gas recirculation (EGR) system in a motor vehicle.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • thermoelectric device In view of the effectiveness of the internal combustion engine and the reduction of pollutants in the exhaust gas, it is customary to cool the recirculated exhaust gas. Therefore, heat exchangers are usually provided in the region of the exhaust gas recirculation system, with which the hot exhaust gas is cooled. Especially here, however, special requirements must be placed on such a thermoelectric device, because usually only a very small amount of space is available. This leads to the difficulty that a particularly good heat transfer must be realized for the thermoelectric converter elements, but at the same time the desired cooling is achieved. On this basis, it is an object of the present invention, at least partially solve the problems described with reference to the prior art.
  • thermoelectric device which has a high degree of efficiency and in particular also ensures sufficient cooling of the recirculated exhaust gas.
  • a particularly suitable operating method should be specified.
  • thermoelectric device has at least one exhaust pipe with an inlet and an outlet, wherein
  • thermoelectric device in particular passes by the guidance of the exhaust gas past the tube bundle or through the tube bundle.
  • thermoelectric device comprises a plurality of modules, which are connected to each other, for example, by appropriate attachment pieces.
  • the exhaust pipe can thus on the one hand at a module be formed by an outer housing and the outer surfaces of the tubes, while in another module alone formed by the inner surface of the tubes.
  • the number of exhaust gas lines or their shape in the different modules can be different.
  • the first tube bundle which is formed in particular following the entry of the exhaust gas inlet into the thermoelectric device, is a thermoelectric generator module.
  • this first tube bundle is designed with the semiconductor elements explained in the introduction in order to generate electrical energy.
  • the exhaust gas is guided outside over the first tube bundle, so that a good heat transfer from the hot exhaust gas is made possible on the tubes, so in particular a uniform inflow of the exhaust gas is realized in the first tube bundle.
  • measures for improved heat transfer can also be provided here. Due to the large flow around the hot exhaust gas to the pipes over a good heat is introduced into the tubes of the first tube bundle.
  • thermoelectric generator module The tubes are internally flowed through by a coolant in a thermoelectric generator module, so that during operation the temperature gradient required for the "Seebeck effect" is pronounced between the outer surface of the tubes and the inner surface of the tubes
  • the exhaust gas along the exhaust pipe has first flowed over the first tube bundle, it is finally fed to another tube bundle, which forms (only) a heat exchanger.
  • the exhaust pipe is formed by the inner surfaces of the tubes, that is, in other words, that the exhaust gas is now passed through the tubes themselves.
  • the coolant flows over or around the tubes of the heat exchanger, so that a particularly effective cooling of the
  • tube bundle and “tubes” do not necessarily have to be formed with cylindrical tubes.
  • any flow cross-section can be realized, the tubes can also be partially carried out in a common wall.
  • a “tube bundle” is understood to mean a channel collection which has an outer channel wall and an inner channel wall, the outer channel wall being larger than the inner channel wall, and thus such tube bundles may also be in the form of a honeycomb structure, plug arrangement and the like.
  • thermoelectric generator module on the one hand and the flow in the heat exchanger on the other hand, a particularly good heat transfer either from the exhaust gas to the thermoelectric conversion elements or from the coolant to the exhaust realized, so that both modules work very effectively and therefore can be designed with a relatively small volume. This meets the requirement to realize a space-saving thermoelectric device.
  • thermoelectric generator module at least two tube bundles, a thermoelectric generator module and a single tube bundle are formed at the outlet as a heat exchanger. Accordingly, after entering the thermoelectric device, the exhaust gas first flows over a first tube bundle in the manner of a thermoelectric generator module, then a second tube bundle in the manner of a thermoelectric generator module and finally a third tube bundle in the manner of a heat exchanger, before finally via the outlet the thermoelectric device leaves.
  • a thermoelectric device makes it possible to tune the two thermoelectric generator modules separately or different from one another to the different exhaust gas temperatures after entry into the thermoelectric device, wherein, for example, differing Liehe tube bundle, semiconductor elements, etc. can be used. With the downstream heat exchanger, the exhaust gas is then brought very quickly to the low temperature required for the exhaust gas recirculation back to the internal combustion engine.
  • a common coolant circuit is provided for the tube bundles, wherein a connection of the coolant circuit is connected to the tube bundle, which forms a heat exchanger, and an outflow of the coolant circuit with at least one tube bundle, which is a thermoelectric generator. Module forms, is connected.
  • This coolant circuit may also be part of the engine cooling system or be connected to it.
  • a type of countercurrent principle is preferably realized with the coolant circuit, so that the cold coolant is supplied in the region of the outlet and discharged again in the region of the inlet.
  • cooling takes place according to the cross-flow principle, ie flow within the modules exhaust and coolant perpendicular to each other.
  • thermoelectric generator module it is precisely with the use of several tube bundles as a thermoelectric generator module possible that all tube bundles alike, ie in parallel, coolant is supplied, which is optionally also equally, ie parallel withdrawn.
  • at least one bypass line and / or a control means is provided to separate at least one of the tube bundles from the coolant circuit, which applies, for example, for the heat exchanger, if it is recognized that additional cooling at the outlet of the thermoelectric device not more is needed.
  • a coolant is especially water into consideration.
  • thermoelectric device at least a number of tubes or an inner diameter of the tubes of a tube bundle forming a thermoelectric generator module is smaller compared to the number of inner diameters of the tubes of a tube bundle which forms a heat exchanger , In other words, that means that the number of tubes and / or the Inner diameter of the tubes in the thermoelectric generator module is smaller than the heat exchanger.
  • This design of the tubes favors the different heat transfer effects on the one hand from the coolant to the exhaust gas and the exhaust gas to the thermoelectric converter elements see.
  • the number of tubes in the thermoelectric generator module is, for example, between 5 and 30, in particular between 12 and 24.
  • an internal diameter in the range of 5 to 15 mm [millimeter] is equally preferred.
  • a design of the heat exchanger has proven to be advantageous if there the number of tubes in the range of 10 to 60 is (in particular greater than in the thermoelectric generator module, for example particularly preferably at least twice as many or even at least 30 tubes), wherein the inner diameter of the tubes is preferably 8 to 20 mm.
  • the reduction of the inner diameter of the tubes in the thermoelectric see generator module advantageously increases the heat transfer coefficient [alfa] in the heat transfer taking place inside. Reducing the number of tubes increases the heat transfer coefficient inside, while maintaining the same pipe diameter.
  • the heat transfer coefficient here describes the ability of the gas or the liquid to dissipate energy from the surface of the tube or to deliver it to the surface. It depends, among other things, on the specific heat capacity, the density and the heat conduction coefficient of the heat-dissipating and the heat-delivering medium. The calculation of the coefficient for heat conduction usually takes place via the temperature difference of the media involved.
  • the heat transfer coefficient is, in contrast to the thermal conductivity, no material constant, but - in the case of an environment highly dependent on the flow rate or the type of flow (laminar or turbulent) of the fluid contacting the tubes.
  • the above values relate in particular to devices such as those used in power vehicles are to be used, wherein equally an undesirably high pressure loss of the device flowing through the exhaust gas is avoided.
  • the tubes of the tube bundles which form a thermoelectric generator module, have a different orientation to a flow direction of the exhaust gas than the tubes of the tube bundles, which form a heat exchanger. Preferably, therefore, this results in an arrangement of the tube bundles, in which the flow direction of the exhaust gas through the thermoelectric device remains the same.
  • thermoelectric generator modules While in the sections with the thermoelectric generator modules, the tubes are oriented perpendicular to the flow direction and the exhaust gas is conducted there over the outer surfaces of the tubes or between the tubes, the exhaust gas enters the tubes of the tube bundles in the section with the heat exchanger , which are then oriented parallel to the flow direction of the exhaust gas.
  • the pressure loss for the exhaust gas when flowing through the thermoelectric device can be kept low.
  • hot exhaust gas first outside of a plurality of tube bundles, which form a generator module, passed and then passed through the tubes of a tube bundle which forms a heat exchanger.
  • the tubes carrying the coolant pass through the exhaust gas in the generator modules, and then the tubes pass through the coolant through which the exhaust gas passes.
  • This flow behavior leads to a particularly good heat transfer and thus increases the efficiency as a generator module or heat exchanger.
  • the coolant flow through the heat exchanger can therefore also be regulated, in particular as a function of the Return rate of the recirculated exhaust gas, the temperature of the exhaust gas, the load state of the engine, the temperature of the engine, etc. If it is recognized that the cooling of the exhaust gas over the generator modules is already sufficient, the flow of coolant through the heat exchanger can also be completely interrupted.
  • the invention is particularly preferably used in a motor vehicle having an internal combustion engine and an exhaust system, wherein the exhaust system has an exhaust gas recirculation system for returning exhaust gas to the internal combustion engine, wherein the exhaust gas recirculation system comprises a thermoelectric device described herein according to the invention.
  • thermoelectric device 1 shows a variant of a thermoelectric device
  • thermoelectric generator module 2 shows a detail of an embodiment of a tube of a thermoelectric generator module
  • thermoelectric device 3 shows a motor vehicle with a thermoelectric device in the exhaust gas recirculation system.
  • Fig. 1 shows schematically and partially in perspective an embodiment of the inventive thermoelectric device 1.
  • the exhaust pipe 2 which extends through the thermoelectric device 1, wherein the entrance 3 and the bottom left of the outlet 4 is formed at the top right.
  • this exhaust pipe 2 now several tube bundles are arranged in a housing 31, wherein the housing 31, at least in the region of the first tube bundle, the exhaust pipe 2 limited.
  • this is preferably equipped with at least one compensation element. leads to compensate for the thermal expansion of the pipes or the connections.
  • the exhaust gas now flows through the inlet 3 with the flow direction 17 into the thermoelectric device 1 a.
  • it encounters a first tube bundle 5 with a multiplicity of tubes 8, which are arranged transversely or perpendicularly to the flow direction 17 of the exhaust gas.
  • the exhaust gas is thus passed over the outer surfaces 7 of the tubes 8, wherein by a correspondingly suitable flow a uniform overflow or Vorbeiströmen or intermediate flow through the tubes 8 in the first tube bundle 5 is realized.
  • a second tube bundle 9 which also has a plurality of tubes 8.
  • the first tube bundle 5 and the second tube bundle 9 have substantially the same orientation to the flow direction 17 and are equally flowed around by the exhaust gas.
  • the number of tubes 8 or their position relative to the flow direction 17 and / or their shape relative to the first tube bundle 5 and the second tube bundle 9 may be different, but in any case they are designed as thermoelectric generator modules 6. In other words, this means that energy is gained by means of these two generator modules 6 and suitable electrical connections are led away from the housing 31. Therefore, the tubes 8 have corresponding semiconductor elements, as will be explained below in connection with FIG. 2.
  • the exhaust gas After the exhaust gas has left the second tube bundle 9, it encounters a third tube bundle 10, which in turn has a multiplicity of tubes 8.
  • the tubes 8 are aligned parallel to the flow direction 17 of the exhaust gas, so that the exhaust gas (only) can enter the tubes 8 and finally exits on the opposite side near the outlet 4 of the thermoelectric device 1.
  • the exhaust gas is guided inside over the inner surfaces 12 of the tubes 8.
  • FIG. 1 illustrates how an advantageous coolant circuit 13 can be formed.
  • the coolant flows through a Terminal 14 initially via the third tube bundle 10, in which case only a heat exchange is to take place, with the aim of cooling the exhaust gas guided inside to a desired temperature.
  • the coolant After the coolant has flowed through the heat exchanger 11, this is deflected and then guided in parallel to all the tubes 8 of the first tube bundle 5 and the second tube bundle 9 inside the conveying direction 24.
  • the coolant is again brought together on the opposite side and recycled via a drain 15 before it is even brought to a low temperature, for example via a radiator.
  • FIG. 2 illustrates a possible construction of a tube 8 for a thermoelectric generator module 6.
  • the tube 8 forms an outer surface 7, on which the exhaust gas is guided along the flow direction 17.
  • the outer surface 7 is formed here with an outer shell 27.
  • the tube 8 also has concentric with the outer shell 27 on an inner shell 26, which forms the inner surface 12 of the tube. Through this inner shell 26 with an inner diameter 16, the coolant is passed with the conveying direction 24.
  • an annular gap 29 is formed, in which now the semiconductor elements 25 are arranged.
  • the end face of the intermediate space 29 is provided for example with a closure 28, such as a sealant or the like, to prevent ingress of exhaust gas and / or coolant.
  • the semiconductor elements 25 (in which case the n-doped and p-doped semiconductor elements 25 are marked with different hatchings) are arranged on a thin electrical insulation layer, which nevertheless allows good heat transfer from the outer jacket 27 to the semiconductor elements 25, as well from the inner shell 26 to the semiconductor elements 25.
  • a particularly large temperature gradient with respect to the semiconductor elements 25 is adjustable inside and outside.
  • the various semiconductor elements 25 are defined in pairs opposite one another via electrical contacts 30. During operation, due to the temperature gradient, a current flow sets in, with the energy gained from the thermal electrical device 1 withdrawn and desired consumers and / or storage can be supplied.
  • FIG. 3 now again schematically illustrates the basic structure of a motor vehicle 18 with an internal combustion engine 19 in which exhaust gas is produced.
  • the exhaust gas is supplied to an exhaust system 20 having, for example, a plurality of catalysts 22 for removing pollutants, particles and the like.
  • a motor vehicle 18 Shown here is a motor vehicle 18, which has an exhaust gas turbocharger 23.
  • an exhaust gas recirculation system 21 is provided, in which a thermoelectric device 1 is integrated.
  • thermoelectric device 1 thermoelectric device

Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung (1) (TEG: Thermoelektrischer Generator) aufweisend zumindest eine Abgasleitung (2) mit einem Eintritt (3) und einem Austritt (4), wobei zumindest ein erstes Rohrbündel (5) ein thermoelektrisches Generator-Modul (6) ist und die Abgasleitung (2) im thermoelektrischen Generator-Modul (6) durch die äußeren Oberflächen (7) der Rohre (8) gebildet ist, und zumindest ein weiteres Rohrbündel (10) ein Wärmetauscher (11) ist und die Abgasleitung (2) im Wärmetauscher (11) durch die Innenflächen (12) der Rohre (8) gebildet ist.

Description

Thermoelektrische Vorrichtung mit Rohrbündeln Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung aufweisend zumindest eine Abgasleitung mit einem Eintritt und einem Austritt für das Abgas. Die thermoelektrische Vorrichtung dient insbesondere zur Erzeugung elektrischer Energie aus dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine. Solche thermoelektrischen Vorrichtungen sind auch als thermoelektrische Generatoren (TEG) bekannt.
Das Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs besitzt thermische Energie, welche mittels einer solchen thermoelektrischen Vorrichtung in elektrische Energie umgewandelt werden kann, um bei- spielsweise einen Energiespeicher zu füllen und/oder einem elektrischen Verbraucher die benötigte Energie direkt zuzuführen. Somit wird das Kraftfahrzeug mit einem besseren energetischen Wirkungsgrad betrieben, und es steht für den Betrieb des Kraftfahrzeugs Energie in größerem Umfang zur Verfügung.
Eine solche thermoelektrische Vorrichtung weist zumindest eine Mehrzahl thermoelektrischer Wandlerelemente auf. Thermoelektrische Materialien hierfür sind von der Art, dass diese effektiv thermische Energie in elektrische Energie umwandeln können (Seebeck-Effekt) und umgekehrt (Peltier-Effekt). Der„Seebeck-Effekt" basiert auf dem Phänomen der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie und wird zur Erzeugung thermoelektrischer Energie genutzt. Der„Peltier-Effekt" ist die Umkehrung des„Seebeck-Effekts" und ein Phänomen, welches mit Wärmeadsorption einhergeht und in Relation zu einem Stromfluss durch unter- schiedliche Materialien verursacht wird. Beide Effekte sind bekannt, so dass hier keine ausführlichere Beschreibung erforderlich ist.
Solche thermoelektrischen Wandlerelemente weisen bevorzugt eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen auf, die zwischen einer so ge- nannten Heißseite (hier treten während des Betriebes hohe Temperaturen auf) und einer so genannten Kaltseite (hier treten während des Betriebes vergleichsweise niedrige Temperaturen auf) positioniert sind. Thermo- elektrische Elemente umfassen wenigstens zwei Halbleiterelemente (p- dotiert und n-dotiert), die auf ihrer Oberseite und Unterseite (hin zur Heißseite bzw. Kaltseite) wechselseitig mit elektrisch leitenden Brücken versehen sind. Keramikplatten bzw. Keramikbeschichtungen und/oder ähnliche Materialien dienen zur Isolierung der Metallbrücken und sind somit bevorzugt zwischen den Metallbrücken angeordnet. Wird ein Tem- peraturgefälle beidseits der Halbleiterelemente bereitgestellt, so bildet sich ein Spannungspotential aus. Auf der Heißseite des ersten Halbleiterelements wird dabei Wärme aufgenommen, wobei die Elektronen der einen Seite auf das energetisch höher liegende Leitungsband des folgenden Halbleiterelements gelangen. Auf der Kaltseite können die Elektronen nun Energie freisetzen und auf dem folgenden Halbleiterelement mit niedrigem Energieniveau gelangen. Somit kann sich bei einem entsprechenden Temperatur gefalle zwischen der Heißseite und der Kaltseite ein elektrischer Stromfluss einstellen. Ein potentieller Einsatzort für eine solche thermoelektrische Vorrichtung ist ein Abgasrückführsystem (AGR bzw. EGR: exhaust gas recirculation) bei einem Kraftfahrzeug. Dabei wird ein Teil des Abgases, das in der Verbrennungskraftmaschine erzeugt wird, zunächst dem üblichen Abgassystem zugeleitet, dann jedoch abgezweigt und wieder der Verbrennungs- kraftmaschine zugeführt. Im Hinblick auf die Effektivität der Verbrennungskraftmaschine und der Reduktion von Schadstoffen im Abgas ist es üblich, das zurückgeführte Abgas zu kühlen. Deshalb sind im Bereich des Abgasrückführungssystems üblicherweise Wärmetauscher vorgesehen, mit denen das heiße Abgas abgekühlt wird. Gerade hier müssen jedoch besondere Anforderungen an eine solche thermoelektrische Vorrichtung gestellt werden, weil üblicherweise nur ein sehr geringes Platzangebot zur Verfügung steht. Dies führt zu der Schwierigkeit, dass für die thermo- elektrischen Wandlerelemente ein besonders guter Wärmeübergang realisiert werden muss, gleichzeitig aber auch die gewünschte Kühlung er- reicht wird. Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine thermoelektrische Vorrichtung an- gegeben werden, die einen hohen Wirkungsgrad hat und insbesondere auch eine ausreichende Kühlung des zurückgeführten Abgases gewährleistet. Hierfür soll auch ein besonders geeignetes Betriebsverfahren angegeben werden. Diese Aufgaben werden gelöst mit einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie geeignete Betriebsverfahren und Einsatzgebiete werden in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung weiter und führt ergänzende Ausführungsbeispiele der Erfindung an.
Die erfindungsgemäße thermoelektrische Vorrichtung weist zumindest eine Abgasleitung mit einem Eintritt und einem Austritt auf, wobei
zumindest ein erstes Rohrbündel ein thermoelektrisches Generator- Modul ist und die Abgasleitung im thermoelektrischen Generator- Modul durch die äußeren Oberflächen der Rohre gebildet ist, und zumindest ein weiteres Rohrbündel ein Wärmetauscher ist und die Abgasleitung im Wärmetauscher durch die Innenflächen der Rohre gebildet ist. Demnach zeichnet diese thermoelektrische Vorrichtung mit anderen Worten insbesondere durch die Führung des Abgases an dem Rohrbündel vorbei bzw. durch das Rohrbündel hindurch aus. Bevorzugt ist dabei, dass die thermoelektrische Vorrichtung mehrere Module aufweist, die beispielsweise auch durch entsprechende Befestigungsstücke miteinander verbunden sind. Die Abgasleitung kann somit einerseits bei einem Modul durch ein äußeres Gehäuse und die äußeren Oberflächen der Rohre gebildet sein, während sie in einem anderen Modul allein durch die Innenfläche der Rohre gebildet ist. Somit kann insbesondere die Anzahl der Ab- gasleitungen bzw. deren Gestalt in den unterschiedlichen Modulen unter- schiedlich sein.
Das erste Rohrbündel, das insbesondere nachfolgend dem Eintritt der Abgaseinleitung in die thermoelektrische Vorrichtung ausgebildet ist, ist ein thermoelektrisches Generator-Modul. Das heißt mit anderen Worten, dass dieses erste Rohrbündel mit den eingangs erläuterten Halbleiterelementen ausgeführt ist, um elektrische Energie zu erzeugen. Dabei wird das Abgas außen über das erste Rohrbündel entlang geführt, so dass ein guter Wärmeübergang von dem heißen Abgas auf die Rohre ermöglicht ist, also insbesondere eine gleichmäßige Einströmung des Abgases in das erste Rohrbündel realisiert ist. Gegebenenfalls können hier auch Maßnahmen für einen verbesserten Wärmeübergang vorgesehen sein. Durch die großflächige Umströmung des heißen Abgases an den Rohren vorbei wird eine gute Wärme einbringung in die Rohre des ersten Rohrbündels realisiert. Die Rohre sind bei einem thermoelektrischen Generator-Modul innen mit einem Kühlmittel durchströmt, so dass im Betrieb das für den „Seebeck-Effekt" erforderliche Temperaturgefälle zwischen der äußeren Oberfläche der Rohre und der Innenfläche der Rohre ausgeprägt ist. Zwischen dieser äußeren Oberfläche der Rohre und den Innenflächen der Rohre sind die Halbleiterelemente angeordnet. Damit ist klar, dass das erste Rohrbündel selbstverständlich auch die Funktion eines Wärmetauschers erfüllt, gleichzeitig bzw. vorrangig aber auch thermoelektrische Funktionen erfüllt.
Nachdem nun das Abgas entlang der Abgasleitung zunächst das erste Rohrbündel überströmt hat, wird es schließlich einem weiteren Rohrbündel zugeführt, das (nur) einen Wärmetauscher bildet. Hierbei ist die Abgasleitung durch die Innenflächen der Rohre gebildet, das heißt mit anderen Worten, dass das Abgas nun durch die Rohre selbst hindurchgeführt wird. In diesem Fall überströmt bzw. umströmt das Kühlmittel die Rohre des Wärmetauschers, so dass hier eine besonders effektive Kühlung des
- A - Abgases möglich ist, weil das Kühlmittel über die großen äußeren Oberflächen der Rohre die thermische Energie abführen kann.
Nur der Vollständigkeit halber sei hier darauf hingewiesen, dass die Be- griffe„Rohrbündel" und„Rohre" nicht zwingend mit zylindrischen Rohren gebildet sein müssen. Insbesondere kann jeder beliebige Strömungsquerschnitt realisiert sein, die Rohre können auch teilweise in einer gemeinsamen Wandung ausgeführt sein. Unter„Rohrbündel" wird insbesondere eine Kanalansammlung verstanden, die eine äußere Kanalwand und eine innere Kanalwand aufweist, wobei die äußere Kanalwand größer als die innere Kanalwand ist. Solche Rohrbündel können demnach auch als Wabenstruktur, Steckanordnung und ähnliches ausgeprägt sein.
Jedenfalls wird durch die Umströmung des Abgases durch das thermo- elektrische Generator-Modul einerseits und die Durchströmung in dem Wärmetauscher andererseits ein besonders guter Wärmeübergang entweder vom Abgas hin zu den thermoelektrischen Wandlerelementen oder vom Kühlmittel hin zum Abgas realisiert, so dass beide Module besonders effektiv arbeiten und daher mit einem relativ kleinen Volumen aus- geführt sein können. Dies kommt der Forderung entgegen, eine platzsparende thermoelektrische Vorrichtung zu realisieren.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird auch vorgeschlagen, dass mindestens zwei Rohrbündel ein thermoelektrisches Generator-Modul und ein einzelnes Rohrbündel am Austritt als Wärmetauscher ausgebildet sind. Demnach überströmt das Abgas nach dem Eintritt in die thermoelektrische Vorrichtung zunächst ein erstes Rohrbündel nach Art eines thermoelektrischen Generator-Moduls, dann ein zweites Rohrbündel nach Art eines thermoelektrisches Generator-Moduls und schließlich ein drittes Rohrbündel nach Art eines Wärmetauschers, bevor es schließlich über den Austritt die thermoelektrische Vorrichtung verlässt. Eine solche thermoelektrische Vorrichtung eröffnet die Möglichkeit, die beiden thermoelektrischen Generator-Module getrennt bzw. voneinander verschieden auf die unterschiedlichen Abgastemperaturen nach Eintritt in die thermo- elektrische Vorrichtung abzustimmen, wobei beispielsweise unterschied- liehe Rohrbündel, Halbleiterelemente etc. eingesetzt werden können. Mit dem nachgeschalteten Wärmetauscher wird dann das Abgas sehr schnell auf die für die Abgasrückführung hin zur Verbrennungskraftmaschine erforderliche tiefe Temperatur gebracht.
Darüber hinaus wird als vorteilhaft angesehen, dass ein gemeinsamer Kühlmittelkreislauf für die Rohrbündel vorgesehen ist, wobei ein An- schluss des Kühlmittelkreislaufs mit dem Rohrbündel, das einen Wärmetauscher bildet, verbunden ist und ein Abfluss des Kühlmittelkreislaufs mit mindestens einem Rohrbündel, das ein thermoelektrisches Generator- Modul bildet, verbunden ist. Dieser Kühlmittelkreislauf kann auch Teil der Motorkühlung sein bzw. mit dieser verbunden sein. Bevorzugt wird mit dem Kühlmittelkreislauf bezüglich der gesamten thermoelektrischen Vorrichtung eine Art Gegenstrom-Prinzip verwirklicht, so dass das kalte Kühlmittel im Bereich des Austritts zugeführt und im Bereich des Eintritts wieder abgeführt wird. Für die einzelnen Module gilt insbesondere, dass hier eine Kühlung nach dem Kreuz strom-Prinzip stattfindet, also innerhalb der Module Abgas und Kühlmittel senkrecht zueinander strömen. Es ist gerade bei dem Einsatz mehrerer Rohrbündel als thermoelekt- risches Generator-Modul möglich, dass allen Rohrbündeln gleichermaßen, also parallel, Kühlmittel zugeführt wird, das dann gegebenenfalls auch gleichermaßen, also parallel, wieder abgezogen wird. Grundsätzlich ist auch möglich, dass zumindest eine Bypass-Leitung und/oder ein Steuerungsmittel vorgesehen ist, um wenigstens eines der Rohrbündel vom Kühlmittelkreislauf abzutrennen, wobei dies beispielsweise für den Wärmetauscher gilt, wenn erkannt wird, dass eine zusätzliche Kühlung am Austritt der thermoelektrischen Vorrichtung nicht mehr erforderlich ist. Als Kühlmittel kommt insbesondere Wasser in Betracht. Es wurde als vorteilhaft herausgefunden, dass bei der thermoelektrischen Vorrichtung zumindest eine Anzahl der Rohre oder ein Innendurchmesser der Rohre eines Rohrbündels, das ein thermoelektrisches Generator- Modul bildet, kleiner ist im Vergleich zu der Anzahl des Innendurchmessers der Rohre eines Rohrbündels, das einen Wärmetauscher bildet. Das heißt mit anderen Worten auch, dass die Anzahl der Rohre und/oder der Innendurchmesser der Rohre im thermoelektrischen Generator-Modul kleiner ist als beim Wärmetauscher. Auch diese Ausgestaltung der Rohre begünstigt die unterschiedlichen Wärmeübergangseffekte einerseits vom Kühlmittel hin zum Abgas sowie vom Abgas hin zu den thermoelektri- sehen Wandlerelementen.
Die Anzahl der Rohre im thermoelektrischen Generator-Modul beträgt beispielsweise zwischen 5 und 30, insbesondere zwischen 12 und 24. Dabei ist hier gleichermaßen ein Innendurchmesser im Bereich von 5 bis 15 mm [Millimeter] bevorzugt.
Demgegenüber hat sich eine Gestaltung des Wärmetauschers als vorteilhaft herausgestellt, wenn dort die Anzahl der Rohre im Bereich von 10 bis 60 liegt (insbesondere größer als im thermoelektrischen Generator-Modul ist, beispielsweise besonders bevorzugt mindestens doppelt so viele oder sogar mindestens 30 Rohre umfasst), wobei der Innendurchmesser der Rohre bevorzugt 8 bis 20 mm beträgt.
Die Reduzierung des Innendurchmessers der Rohre im thermoelektri- sehen Generator-Modul erhöht in vorteilhafter Weise den Wärmeübertragungskoeffizienten [alfa] beim innen stattfindendem Wärmeübergang. Die Reduzierung der Rohranzahl erhöht bei gleichbleibendem Rohrdurchmesser auch den Wärmeübertragungskoeffizienten innen. Der Wärmeübergangskoeffizient beschreibt hierbei die Fähigkeit des Gases oder der Flüssigkeit, Energie von der Oberfläche des Rohres abzuführen bzw. an die Oberfläche abzugeben. Sie hängt unter anderem von der spezifischen Wärmekapazität, der Dichte und dem Wärmeleitkoeffizienten des wärmeabführenden sowie des wärmeliefernden Mediums ab. Die Berechnung des Koeffizienten für Wärmeleitung erfolgt meist über den Temperaturunterschied der beteiligten Medien. Der Wärmeübergangskoeffizient ist, im Gegensatz zur Wärmeleitfähigkeit, keine Materialkonstante, sondern - im Falle einer Umgebung stark abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Art der Strömung (laminar oder turbulent) des die Rohre kontaktierenden Fluids. Somit beziehen sich die vorstehenden Werte insbesondere auf Vorrichtungen, wie sie bei Kraft- fahrzeugen eingesetzt werden sollen, wobei gleichermaßen ein unerwünscht hoher Druckverlust des die Vorrichtung durchströmenden Abgases vermieden wird. Gemäß noch einer Weiterbildung der thermoelektrischen Vorrichtung weisen die Rohre der Rohrbündel, die ein thermoelektrisches Generator- Modul bilden, eine andere Orientierung zu einer Strömungsrichtung des Abgases auf als die Rohre der Rohrbündel, die einen Wärmetauscher bilden. Bevorzugt ergibt sich damit also eine Anordnung der Rohrbündel, bei der die Strömungsrichtung des Abgases durch die thermoelektrische Vorrichtung gleich bleibt. Während in den Abschnitten mit den thermoelektrischen Generator-Modulen die Rohre senkrecht zur Strömungsrichtung orientiert sind und das Abgas dort über die äußeren Oberflächen der Rohre bzw. zwischen den Rohren hindurch geführt wird, tritt das Abgas im Abschnitt mit dem Wärmetauscher in die Rohre der Rohrbündel ein, die dann parallel zur Strömungsrichtung des Abgases orientiert sind. Damit kann insbesondere der Druckverlust für das Abgas beim Durchströmen der thermoelektrischen Vorrichtung gering gehalten werden. Für den Betrieb einer hier erfindungsgemäß beschriebenen thermoelektrischen Vorrichtung wird als bevorzugt angesehen, dass heißes Abgas zunächst außen an einer Mehrzahl von Rohrbündeln, die ein Generator- Modul bilden, vorbeigeführt und danach durch die Rohre eines Rohrbündels, das einen Wärmetauscher bildet, hindurchgeführt wird. Somit er- folgt einerseits ein Umströmen der das Kühlmittel führenden Rohre durch das Abgas bei den Generator-Modulen und anschließend ein Umströmen der Rohre durch das Kühlmittel, bei denen das Abgas hindurchgeführt wird. Dieses Strömungsverhalten führt zu einem besonders guten Wärmeübergang und steigert somit den Wirkungsgrad als Generator- Modul bzw. Wärmetauscher.
Bei diesem Verfahren wird als besonders vorteilhaft angesehen, dass ein
Kühlmittefluss durch ein Rohrbündel, das als Wärmetauscher ausgebildet ist, variiert wird. Der Kühlmittelfluss durch den Wärmetauscher kann folglich auch geregelt werden, insbesondere in Abhängigkeit von der Rückführrate des zurückgeführten Abgases, der Temperatur des Abgases, dem Lastzustand des Motors, der Temperatur des Motors etc. Wird erkannt, dass die Abkühlung des Abgases über die Generator-Module bereits ausreichend ist, kann der Kühlmittelfluss durch den Wärmetauscher auch vollständig unterbrochen sein.
Ganz besonders bevorzugt findet die Erfindung Anwendung in einem Kraftfahrzeug aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine und ein Abgassystem, wobei das Abgassystem ein Abgasrückführsystem hat zur Rückführung von Abgas hin zur Verbrennungskraftmaschine, wobei das Abgasrückführsystem eine hier erfindungsgemäß beschriebene thermo- elektrische Vorrichtung umfasst.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele die Erfindung nicht beschränken und schematischer Natur sind. Es zeigen demnach:
Fig. 1: eine Ausführungsvariante einer thermoelektrischen Vorrichtung,
Fig. 2: ein Detail einer Ausführungsvariante eines Rohres eines thermoelektrischen Generator-Moduls, und
Fig. 3: ein Kraftfahrzeug mit einer thermoelektrischen Vorrichtung im Abgasrückführsystem.
Fig. 1 zeigt schematisch und teilweise perspektivisch eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Vorrichtung 1. Ebenso schematisch angedeutet ist hier die Abgasleitung 2, die sich durch die thermoelektrische Vorrichtung 1 hindurch erstreckt, wobei oben rechts der Eintritt 3 und unten links der Austritt 4 gebildet ist. In dieser Abgasleitung 2 sind nun mehrere Rohrbündel in einem Gehäuse 31 angeordnet, wobei auch das Gehäuse 31 zumindest im Bereich der ersten Rohrbündel die Abgasleitung 2 begrenzt. Zum Gehäuse 31 sei noch angemerkt, dass dieses bevorzugt mit wenigstens einem Kompensationselement ausge- führt ist, um die thermischen Dehnungen der Rohre bzw. der Anschlüsse auszugleichen.
Das Abgas strömt nun durch den Eintritt 3 mit der Strömungsrichtung 17 in die thermoelektrische Vorrichtung 1 ein. Dabei trifft es auf ein erstes Rohrbündel 5 mit einer Vielzahl von Rohren 8, die quer bzw. senkrecht zur Strömungsrichtung 17 des Abgases angeordnet sind. Das Abgas wird somit über die äußeren Oberflächen 7 der Rohre 8 geleitet, wobei durch eine entsprechend geeignete Anströmung ein gleichmäßiges Überströmen bzw. Vorbeiströmen bzw. Zwischendurchströmen der Rohre 8 im ersten Rohrbündel 5 realisiert ist. Nachdem das Abgas nun das erste Rohrbündel 5 durchströmt hat, folgt ein zweites Rohrbündel 9, das ebenfalls eine Vielzahl von Rohren 8 aufweist. Das erste Rohrbündel 5 und das zweite Rohrbündel 9 weisen im Wesentlichen dieselbe Orientierung zur Strö- mungsrichtung 17 auf und werden gleichermaßen vom Abgas umströmt. Die Anzahl der Rohre 8 bzw. deren Position zur Strömungsrichtung 17 und/oder deren Gestalt bezogen auf das erste Rohrbündel 5 und das zweite Rohrbündel 9 kann verschieden sein, jedenfalls sind diese jedoch als thermoelektrische Generator-Module 6 ausgebildet. Das heißt mit an- deren Worten, dass mittels dieser beiden Generator-Module 6 Energien gewonnen und geeignete elektrische Anschlüsse vom Gehäuse 31 weggeführt werden. Deshalb weisen die Rohre 8 entsprechende Halbleiterelemente auf, wie dies nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 2 näher erläutert wird.
Nachdem das Abgas das zweite Rohrbündel 9 verlassen hat, trifft es auf ein drittes Rohrbündel 10, das wiederum eine Vielzahl von Rohren 8 aufweist. Hierbei sind nun die Rohre 8 parallel zur Strömungsrichtung 17 des Abgases ausgerichtet, so dass das Abgas (nur) in die Rohre 8 eintre- ten kann und schließlich auf der gegenüberliegenden Seite nahe dem Austritt 4 der thermoelektrischen Vorrichtung 1 austritt. Dabei wird das Abgas innen über die Innenflächen 12 der Rohre 8 geführt.
Zudem ist in Fig. 1 veranschaulicht, wie ein vorteilhafter Kühlmittelkreis- lauf 13 ausgebildet sein kann. Das Kühlmittel strömt dabei über einen Anschluss 14 zunächst über das dritte Rohrbündel 10, wobei hier nur ein Wärmeaustausch erfolgen soll, mit dem Ziel, dass innen hindurch geführte Abgas auf eine gewünschte Temperatur abzukühlen. Nachdem das Kühlmittel den Wärmetauscher 11 durchströmt hat, wird dieses umge- lenkt und dann der Förderrichtung 24 folgend parallel in alle Rohre 8 des ersten Rohrbündels 5 und des zweiten Rohrbündels 9 innen hindurchgeführt. Auch hier wird das Kühlmittel auf der gegenüberliegenden Seite wieder zusammengeführt und über einen Abfluss 15 rückgeführt, bevor es selbst beispielsweise über einen Kühler auf eine niedrige Temperatur gebracht wird.
Fig. 2 veranschaulicht nun einen möglichen Aufbau eines Rohres 8 für ein thermoelektrisches Generator-Modul 6. Wie bereits zuvor erläutert, bildet das Rohr 8 eine äußere Oberfläche 7, an der das Abgas mit der Strö- mungsrichtung 17 entlang geführt wird. Die äußere Oberfläche 7 wird hier mit einem Außenmantel 27 gebildet. Das Rohr 8 weist zudem konzentrisch zum Außenmantel 27 einen Innenmantel 26 auf, der die Innenfläche 12 des Rohres ausbildet. Durch diesen Innenmantel 26 mit einem Innendurchmesser 16 wird das Kühlmittel mit der Förderrichtung 24 hindurchgeführt. Durch diesen Aufbau wird ein ringförmiger Zwischenraum 29 gebildet, in dem nun die Halbleiterelemente 25 angeordnet sind. Stirnseitig ist der Zwischenraum 29 beispielsweise mit einem Verschluss 28 versehen, wie beispielsweise einer Dichtmasse oder dergleichen, um einen Eintritt von Abgas und/oder Kühlmittel zu unterbinden. Die HaIb- leiterelemente 25 (wobei hier die n-dotierten und p-dotierten Halbleiterelemente 25 mit unterschiedlichen Schraffierungen gekennzeichnet sind) sind auf einer dünnen elektrischen Isolations Schicht angeordnet, die gleichwohl einen guten Wärmeübergang vom Außenmantel 27 hin zu den Halbleiterelementen 25 ermöglicht, ebenso wie vom Innenmantel 26 hin zu den Halbleiterelementen 25. Somit ist ein besonders großes Temperaturgefälle bezüglich der Halbleiterelemente 25 innen und außen einstellbar. Wie hier angedeutet, sind die verschiedenen Halbleiterelemente 25 paarweise gegenüberliegend über elektrische Kontakte 30 definiert, verbunden. Während des Betriebes stellt sich so aufgrund des Temperatur- gefälles ein Stromfluss ein, wobei die gewonnene Energie aus der thermo- elektrischen Vorrichtung 1 abgezogen und gewünschten Verbrauchern und/oder Speichern zugeführt werden kann.
Fig. 3 veranschaulicht nun noch einmal schematisch den prinzipiellen Aufbau eines Kraftfahrzeugs 18 mit einer Verbrennungskraftmaschine 19, in der Abgas produziert wird. Das Abgas wird einem Abgassystem 20 zugeführt, das beispielsweise mehrere Katalysatoren 22 zur Beseitigung von Schadstoffen, Partikeln und dergleichen aufweist. Hier dargestellt ist ein Kraftfahrzeug 18, das einen Abgas-Turbolader 23 aufweist. Zwischen der Verbrennungskraftmaschine 19 und dem Turbolader 23 ist ein Abgasrückführsystem 21 vorgesehen, in dem eine thermoelektrische Vorrichtung 1 integriert ist. Dies stellt den besonders bevorzugten Einsatzort für die hier beschriebene thermoelektrische Vorrichtung 1 dar, weil hier insbesondere aufgrund der hohen Wirksamkeit der thermoelektrischen Vorrichtung 1 eine kompakte und platzsparende Integration der thermoelektrischen Vorrichtung 1 ermöglicht wurde.
Bezugszeichenliste
1 thermoelektrische Vorrichtung
2 Abgasleitung
3 Eintritt
4 Austritt
5 erstes Rohrbündel
6 Generator-Modul
7 äußere Oberfläche
8 Rohr
9 zweites Rohrbündel
10 drittes Rohrbündel
11 Wärmetauscher
12 Innenflächen
13 Kühlmittelkreislauf
14 Anschluss
15 Abfluss
16 Innendurchmesser
17 Strömungsrichtung
18 Kraftfahrzeug
19 Verbrennungskraftmaschine
20 Abgassystem
21 Abgasrückführsystem
22 Katalysator
23 Turbolader
24 Förderrichtung
25 Halbleiterelement
26 Innenmantel
27 Außenmantel
28 Verschluss
29 Zwischenraum
30 Kontakt
31 Gehäuse

Claims

Patentansprüche
1. Thermoelektrische Vorrichtung (1) aufweisend zumindest eine Abgas- leitung (2) mit einem Eintritt (3) und einem Austritt (4), wobei
zumindest ein erstes Rohrbündel (5) ein thermoelektrisches Generator-Modul (6) ist und die Abgasleitung (2) im thermoelektrischen Generator-Modul (6) durch die äußeren Oberflächen (7) der Rohre (8) gebildet ist, und
- zumindest ein weiteres Rohrbündel (10) ein Wärmetauscher (11) ist und die Abgasleitung (2) im Wärmetauscher (11) durch die Innenflächen (12) der Rohre (8) gebildet ist.
2. Thermoelektrische Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 1, bei der mindestens zwei Rohrbündel (5, 9) ein thermoelektrisches Generator- Modul (6) und ein einzelnes Rohrbündel (10) am Austritt (4) als Wärmetauscher (11) ausgebildet sind.
3. Thermoelektrische Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, bei der ein gemeinsamer Kühlmittelkreislauf (13) für die Rohrbündel vorgesehen ist, wobei ein Anschluss (14) des Kühlmittelkreislaufs (13) mit dem Rohrbündel, das einen Wärmetauscher (11) bildet, verbunden ist und ein Abfluss (15) des Kühlmittelkreislaufs (13) mit mindestens einem Rohrbündel, das ein thermoelektrisches Generator-Modul (6) bildet, verbunden ist.
4. Thermoelektrische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei der zumindest eine Anzahl der Rohre (8) oder ein Innendurchmesser (16) der Rohre (8) eines Rohrbündels (5, 9), das ein thermoelektrisches Generator-Modul (6) bildet, kleiner ist im Vergleich zu der Anzahl der Rohre (8) oder des Innendurchmessers (16) der Rohre (8) eines Rohrbündels (10), das einen Wärmetauscher (11) bildet.
5. Thermoelektrische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei der die Rohre (8) der Rohrbündel (5, 9), die ein thermoelektrisches Generator-Modul (6) bilden, eine andere Orientie- rung zu einer Strömungsrichtung (17) des Abgases aufweisen als die
Rohre (8) der Rohrbündel (10), die einen Wärmetauscher (11) bilden.
6. Verfahren zum Betrieb einer thermoelektrischen Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei heißes Abgas zu- nächst außen an einer Mehrzahl von Rohrbündeln (5, 9), die ein Generator-Modul (6) bilden, vorbeigeführt und danach durch die Rohre (8) eines Rohrbündels (10), das einen Wärmetauscher (11) bildet, hindurch geführt wird.
7. Verfahren gemäß Patentanspruch 6, wobei ein Kühlmittelfluss durch ein Rohrbündel (10), das als Wärmetauscher (11) ausgebildet ist, variiert wird.
8. Kraftfahrzeug (18) aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine (19) und ein Abgassystem (20), wobei das Abgassystem (20) ein
Abgasrückführsystem (21) hat zur Rückführung von Abgas hin zur Verbrennungskraftmaschine (19), wobei das
Abgasrückführsystem (21) eine thermoelektrische Vorrichtung (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5 umfasst.
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