WO2010130764A2 - Wärmeübertrager und verfahren zur umwandlung von thermischer energie eines fluids in elektrische energie - Google Patents

Wärmeübertrager und verfahren zur umwandlung von thermischer energie eines fluids in elektrische energie Download PDF

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WO2010130764A2
WO2010130764A2 PCT/EP2010/056513 EP2010056513W WO2010130764A2 WO 2010130764 A2 WO2010130764 A2 WO 2010130764A2 EP 2010056513 W EP2010056513 W EP 2010056513W WO 2010130764 A2 WO2010130764 A2 WO 2010130764A2
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thermoelectric module
channel
cooling
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Peter Schluck
Bernhard Mueller
Miroslaw Brzoza
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • 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
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    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F01N5/025—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat the device being thermoelectric generators
    • 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

  • the present invention relates to a heat exchanger and a method for converting thermal energy of a fluid into electrical energy, with the aid of which, in particular in a connected to an internal combustion engine exhaust system of a motor vehicle, the thermal energy of the fluid using a thermoelectric mode can be converted into electrical energy.
  • the heat exchanger has a flow channel for hot exhaust gas, which is made of an austenitic stainless steel.
  • a thermoelectric module for generating electrical energy is thermally connected to the flow channel. With the aid of a metal strip, a passive cooler is pressed onto each thermoelectric module, whereby the thermoelectric
  • Module is designed to be movable between the flow channel and the passive cooler.
  • thermoelectric module for example due to thermal expansion effects of the flow channel.
  • Disclosure of the invention It is the object of the invention to provide a heat exchanger and a method for converting thermal energy of a fluid into electrical energy, with the aid of which the design effort of converting thermal energy into electrical energy can be reduced.
  • the heat exchanger according to the invention which can be used in particular for converting thermal energy of a fluid, preferably exhaust gases of an internal combustion engine, into electrical energy, has a flow channel for conducting a hot fluid. At least one thermoelectric module for generating electrical energy is thermally connected to the flow channel. According to the invention, the flow channel is made of a ceramic material.
  • the thermal expansion of the flow channel can be significantly reduced, so that structurally complex constructions to compensate for thermal expansion effects of the flow channel are not required.
  • a high load of the thermoelectric module by shear stresses, which are impressed by the thermal expansion on the hot side of the thermoelectric module, can at least be reduced.
  • the design effort of thermal energy to convert into electrical energy can be reduced.
  • sintered materials can be used as the ceramic material.
  • ceramic materials having a high thermal conductivity such as, for example, SiC, which has a thermal conductivity of about 80 nm 2 K and thus has a higher thermal conductivity than stainless steel.
  • the ceramic flow channel has a high robustness against thermal and corrosive stresses, so that a long service life of the heat exchanger is ensured.
  • the flow channel can be particularly easily removed, for example, as a geometric Hohlzylin-, so that the ceramic flow channel made of extruded profiles can be.
  • the thermoelectric module is in particular both radially inwardly and radially outwardly connected to a ceramic tube, wherein one of these ceramic tubes forms a channel wall of the flow channel.
  • the flow channel is connected directly to the thermoelectric module, wherein the thermoelectric module is connected to the flow channel, in particular cohesively, in particular by soldering.
  • the thermoelectric module may comprise a plurality of semiconductor elements, in particular P-type semiconductor and N-type semiconductor, wherein the P-type semiconductor and N-type semiconductor are arranged alternately, that is, alternately. Two adjacent semiconductors can be connected via a metal bridge, so that a plurality of semiconductor elements can be connected in series.
  • the semiconductor elements are clamped for example between two ceramic discs and can be encapsulated by means of a metallic shell, on the metallic shell, the thermoelectric module is particularly easy with the ceramic
  • thermoelectric module cohesively, in particular by soldering, are connected. If necessary, the ceramic flow channel can be metallized beforehand on the facing the thermoelectric modules surface to facilitate the cohesive connection. The direct contact of the thermoelectric module with the flow channel further functional elements between the flow channel and the thermoelectric module are avoided, so that the heat conduction resistance between the hot fluid and the thermoelectric module can be reduced.
  • the flow channel is designed such that the flow channel is in operation with the direct contact with the hot fluid. Additional functional elements between the hot fluid and the flow channel are thereby avoided, so that the thermal conduction resistance between the flow channel and the hot fluid can be minimized.
  • the thermoelectric module has at least one semiconductor element, wherein the semiconductor element is connected directly to the flow channel, wherein in particular the semiconductor element with the flow channel materially, in particular by soldering, is connected.
  • the ceramic flow channel can thus be used instead of a ceramic disk of the semiconductor element otherwise provided.
  • the kera- Mixing disc and a metallic shell of the thermoelectric module can be saved.
  • metal bridges provided between two adjacent semiconductor elements can be used for a cohesive connection to the ceramic flow channel. The metal bridges can thus be simultaneously used as solder of a solder connection between the semiconductor elements and the ceramic flow channel.
  • the semiconductor element are connected in particular both radially inwardly and radially outwardly with a ceramic tube, wherein one of these ceramic tubes forms a channel wall of the flow channel.
  • a ceramic tube wherein one of these ceramic tubes forms a channel wall of the flow channel.
  • all semiconductor elements of the thermoelectric module are connected directly to the flow channel. This leads to a more homogeneous structure, which is structurally simple to design and manufacturing technology is easy to implement.
  • thermoelectric module is preferably arranged radially outside the flow channel.
  • the flow channel can thus be traversed radially inward by the hot fluid, while the thermoelectric modules can be connected radially outside the flow channel with the ceramic flow channel.
  • a passive cooling for example by natural convection, is sufficient to achieve a sufficiently large temperature difference for the thermoelectric module, which leads to a correspondingly large electric current of the thermoelectric module.
  • the amount of generated electrical energy of the thermoelectric module can be increased thereby.
  • a cooling channel is seen for cooling the at least one thermoelectric module, wherein the channel is thermally contacted with the thermoelectric module. Due to the cooling channel, the side of the thermoelectric module facing away from the flow channel can be cooled particularly strongly, which results in a particularly large temperature difference for the thermoelectric module. see module stops. This increases the current flow that can be generated by the thermoelectric module.
  • cooling media of the cooling channel ambient air can be used.
  • the hot fluid of the flow channel is used in particular after additional cooling by means of a cooler as the cooling medium of the cooling channel.
  • the cooling channel is in particular designed such that the cooling medium of the cooling channel flows through the cooling channel in countercurrent to the hot fluid of the flow channel.
  • the cooling channel is made of a ceramic material.
  • the design complexity of converting thermal energy into electrical energy can be reduced, and the heat conduction resistance between the thermoelectric module and the ceramic cooling channel can be reduced.
  • all the boundary walls in the radial direction of the flow channel and / or the cooling channel are made of a ceramic material. This makes it possible to use comparable manufacturing methods for the flow channel and / or the cooling channel, whereby the
  • thermoelectric module is in particular both radially inwardly and radially outwardly connected to a ceramic tube, wherein one of these ceramic tubes forms a channel wall of the flow channel and / or one of these ceramic tubes a channel wall of the cooling channel.
  • the cooling channel is connected directly to the thermoelectric module, wherein in particular the thermoelectric module is connected to the cooling channel cohesively, in particular by soldering. Unnecessarydalelei- resistance between the cooling channel and the thermoelectric module can be avoided.
  • the thermoelectric module has at least one semiconductor element, wherein the semiconductor element is connected directly to the cooling channel, wherein in particular the semiconductor element with the cooling channel is materially connected, in particular by soldering. The cooling channel can thus be connected directly to the semiconductor elements of the thermoelectric module, whereby the heat conduction resistance between the cooling channel and the semiconductor elements is further reduced. At the same time, metal bridges between adjacent semiconductor elements can be used as solder for the cohesive connection of the semiconductor elements to the cooling channel.
  • the semiconductor elements are in particular both radially inwardly and radially outwardly connected to a ceramic tube, wherein one of these ceramic tubes forms a channel wall of the flow channel and / or one of these ceramic tubes a channel wall of the cooling channel.
  • all semiconductor elements of the thermoelectric module are connected directly to the flow channel.
  • the cooling channel is arranged substantially coaxially with the flow channel.
  • the coaxial arrangement results between the flow channel and the cooling channel an annular gap into which the at least one thermoelectric module can be used.
  • the cooling channel and / or the flow channel is designed substantially annular. Due to the annular structure, it is possible to provide a comparatively white large surface area for the volume flow of the flow channel and / or of the cooling channel, which faces the thermoelectric module in each case. As a result, the heat output of the hot fluid of the flow channel and / or the cooling capacity of the cooling medium of the cooling channel can be increased.
  • the invention further relates to an exhaust system for an internal combustion engine of a motor vehicle, wherein the exhaust system comprises a heat exchanger, which may be formed and further developed as described above.
  • the flow channel of the heat exchanger can be flowed through by exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the flow channel has a catalyst for the treatment of the exhaust gases, so that in addition the exothermic energy of the catalyst is absorbed by the thermoelectric modules. can be used.
  • the electrical energy generated by the thermoelectric modules can be used in particular to supply an on-board electronics of the motor vehicle with electrical energy and / or to charge a car battery. Due to the improved design of the heat exchanger to be used, the constructive effort can convert thermal energy into electrical energy
  • the invention further relates to a method for the conversion of thermal energy of a fluid into electrical energy, in which at least one thermoelectric module for generating electrical energy only one of a ceramic in particular with the aid of a heat exchanger, which can be trained and educated as described above Material prepared flow channel for conducting a hot fluid with the hot fluid is thermally connected. Due to the ceramic flow channel, heat expansion effects of the flow channel can be reduced, so that the constructive flow can be reduced
  • the ceramic materials used are produced by extrusion.
  • over-dimensioned extruded profiles which can be cut to the required length, can be produced, in particular in their length. This makes it possible to produce a plurality of flow channels and / or cooling channels from a single oversized extruded profile.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a heat exchanger in a first embodiment
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of a heat exchanger in a second embodiment
  • Fig. 3 is a schematic sectional view of a heat exchanger in a third embodiment.
  • the heat exchanger 10 shown in FIG. 1 has a ceramic flow channel 12, which is flowed through in a flow direction 14 by a hot fluid, for example exhaust gas of an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • a hot fluid for example exhaust gas of an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the ceramic flow channel 12 is a thermoelectric
  • Module 16 which has a metallic shell 18 in illustrated embodiments.
  • a plurality of semiconductor elements 20 are arranged, which are clamped between two ceramic discs 22.
  • the side facing away from the ceramic flow channel 12 side of the thermoelectric modules 16 is cooled by an annular cooling channel 24.
  • the cooling channel 24 is flowed through by a cooling medium in a cooling direction 26 in countercurrent to the flow direction 14 of the flow channel 12.
  • thermoelectric module 16 In the heat exchanger 10 shown in Fig. 2, the metallic shell 18 and the ceramic discs 22 have been omitted in the thermoelectric module 16 in comparison to FIG. 1, so that the semiconductor elements 20 directly with the ceramic flow channel 12, for example by soldering, ver - are tied. In the illustrated embodiment, the semiconductor elements
  • the inner ceramic channel is formed by the ceramic flow channel 12.
  • the outer ceramic channel 28 is in direct contact with the cooling channel 24, which may be formed in the illustrated embodiment of a metallic material.
  • the cooling channel 24 is completely made of a ceramic material in comparison to the embodiment shown in FIG.
  • the annular cooling channel 24 in the illustrated embodiment thus has both a ceramic inner wall facing the thermoelectric module 16 and a ceramic outer wall facing away from the thermoelectric module 16.
  • the cooling channel 24 and / or the flow channel 12 is made only on the side facing the thermoelectric module 16 side of a ceramic material, while one of thermoelectric module 16 pointing away- de side of the cooling channel 24 and / or the flow channel 12, if present, can be made of a different material, such as metal.
  • the ceramic cooling channel 24 may be soldered directly to the semiconductor elements 20 of the thermoelectric modules 16 in the illustrated embodiment.

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Abstract

Ein Wärmeübertrager (10), insbesondere zur Umwandlung von thermischer Energie eines Fluids, vorzugsweise Abgas eines Verbrennungsmotors, in elektrische Energie weist einen Strömungskanal (12) zum Leiten eines heißen Fluids auf. Mit dem Strömungskanal (12) ist mindestens ein thermoelektrisches Modul (16) zur Generierung elektrischer Energie thermisch verbunden. Erfindungsgemäß ist der Strömungskanal (12) aus einem keramischen Material hergestellt. Durch das keramische Material des Strömungskanals (12) können Wärmedehnungseffekte des Strömungskanals (12) reduziert werden, so dass der konstruktive Aufwand thermischer Energie in elektrische Energie zu wandeln, reduziert werden kann.

Description

Beschreibung
Titel
Wärmeübertrager und Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie eines Fluids in elektrische Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager und ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie eines Fluids in elektrische Energie, mit deren Hilfe insbesondere bei einem mit einer Brennkraftmaschine verbundenem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs die thermische Energie des Fluids mit Hilfe eines thermoelektrischen Modus in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Stand der Technik
Aus US 2005/0172993 A1 ist ein Wärmeübertrager für einen Abgasstrang eines
Kraftfahrzeugs bekannt. Der Wärmeübertrager weist einen Strömungskanal für heißes Abgas auf, der aus einem austenitischen Edelstahl hergestellt ist. Mit dem Strömungskanal ist ein thermoelektrisches Modul zur Generierung elektrischer Energie thermisch verbunden. Mit Hilfe eines Metallbandes wird auf jedes ther- moelektrisches Modul ein Passivkühler gedrückt, wobei das thermoelektrische
Modul zwischen dem Strömungskanal und dem Passivkühler beweglich ausgestaltet ist.
Nachteilig bei einem derartigen Wärmeübertrager ist, dass ein hoher konstrukti- ver Aufwand betrieben werden muss, um eine Beschädigung des thermoelektrischen Moduls, beispielsweise durch Wärmedehnungseffekte des Strömungskanals zu vermeiden.
Offenbarung der Erfindung Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager sowie ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie eines Fluids in elektrische Energie zu schaffen, mit deren Hilfe der konstruktive Aufwand thermischer Energie in elektrische Energie zu wandeln, reduziert werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie eines Fluids in elektrische Energie mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran- Sprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager, der insbesondere zur Umwandlung von thermischer Energie eines Fluids, vorzugsweise Abgase eines Verbrennungsmotors, in elektrische Energie verwendet werden kann, weist einen Strö- mungskanal zum Leiten eines heißen Fluids auf. Mit dem Strömungskanal ist mindestens ein thermoelektrisches Modul zur Generierung elektrischer Energie thermisch verbunden. Erfindungsgemäß ist der Strömungskanal aus einem keramischen Material hergestellt.
Aufgrund des keramischen Materials des Strömungsmaterials kann die Wärmedehnung des Strömungskanals erheblich reduziert werden, so dass konstruktiv aufwendige Konstruktionen zur Kompensation von Wärmedehnungseffekten des Strömungskanals nicht erforderlich sind. Eine hohe Belastung des thermoelektri- schen Moduls durch Schubspannungen, die durch die Wärmedehnung an der heißen Seite des thermoelektrischen Moduls aufgeprägt werden, kann zumindest verringert werden. Der konstruktive Aufwand thermischer Energie in elektrische Energie zu wandeln, kann dadurch reduziert werden. Als keramisches Material können insbesondere gesinterte Materialien verwendet werden. Besonders bevorzugt werden keramische Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ver- wendet, wie beispielsweise SiC, das eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 80 WAn2K aufweist und somit eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Edelstahl aufweist. Gleichzeitig weist der keramische Strömungskanal eine hohe Robustheit gegen thermische und korrosive Beanspruchungen auf, so dass eine hohe Lebensdauer des Wärmeübertragers gewährleistet ist. Insbesondere kann der Strömungskanal besonders einfach ausgebaut sein, beispielsweise als geometrischer Hohlzylin- der, so dass der keramische Strömungskanal aus Strangpressprofilen hergestellt werden kann. Das thermoelektrische Modul ist insbesondere sowohl radial innen als auch radial außen mit einem keramischen Rohr verbunden, wobei eines dieser keramischen Rohre eine Kanalwand des Strömungskanals ausbildet.
Vorzugsweise ist der Strömungskanal direkt mit dem thermoelektrischen Modul verbunden, wobei das thermoelektrische Modul mit dem Strömungskanal, insbesondere stoffschlüssig, insbesondere durch Löten verbunden ist. Das thermoelektrische Modul kann eine Mehrzahl von Halbleiterelementen, insbesondere P- Halbleiter und N-Halbleiter aufweisen, wobei die P-Halbleiter und N-Halbleiter al- ternierend, das heißt abwechselnd, angeordnet sind. Zwei benachbarte Halbleiter können über eine Metallbrücke verbunden werden, so dass eine Vielzahl von Halbleiterelementen in Reihe geschaltet werden kann. Die Halbleiterelemente sind beispielsweise zwischen zwei keramischen Scheiben eingespannt und können mit Hilfe einer metallischen Hülle gekapselt werden, über die metallische Hülle kann das thermoelektrische Modul besonders einfach mit dem keramischen
Strömungskanal stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, verbunden werden. Erforderlichenfalls kann der keramische Strömungskanal vorher an der zu den thermoelektrischen Modulen weisenden Fläche metallisiert werden, um die stoffschlüssige Verbindung zu erleichtern. Durch den direkten Kontakt des thermo- elektrischen Moduls mit dem Strömungskanal werden weitere Funktionselemente zwischen dem Strömungskanal und dem thermoelektrischen Modul vermieden, so dass der Wärmeleitungswiderstand zwischen dem heißen Fluid und dem thermoelektrischen Modul reduziert werden kann.
Insbesondere ist der Strömungskanal derart ausgestaltet, dass der Strömungskanal im Betrieb mit dem direkten Kontakt mit dem heißen Fluid steht. Zusätzliche Funktionselemente zwischen dem heißen Fluid und dem Strömungskanal werden dadurch vermieden, so dass der Wärmeleitungswiderstand zwischen dem Strömungskanal und dem heißen Fluid minimiert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das thermoelektrische Modul mindestens ein Halbleiterelement auf, wobei das Halbleiterelement direkt mit dem Strömungskanal verbunden ist, wobei insbesondere das Halbleiterelement mit dem Strömungskanal stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, verbunden ist. Der keramische Strömungskanal kann somit anstelle einer anderenfalls vorgesehen keramischen Scheibe des Halbleiterelements verwendet werden. Die kera- mische Scheibe sowie eine metallische Hülle des thermoelektrischen Moduls kann dadurch eingespart werden. Dadurch, dass die Halbleiterelemente direkt mit dem keramischen Strömungskanal verbunden werden können, wird der Wärmeleitungswiderstand zwischen dem Strömungskanal und den Halbleiterelemen- ten des thermoelektrischen Moduls minimiert. Insbesondere können zwischen zwei benachbarten Halbleiterelementen vorgesehene Metallbrücken für eine stoffschlüssige Verbindung mit dem keramischen Strömungskanal verwendet werden. Die Metallbrücken können somit gleichzeitig als Lot einer Lotverbindung zwischen den Halbleiterelementen und dem keramischen Strömungskanal ver- wendet werden. Die Halbleiterelements sind insbesondere sowohl radial innen als auch radial außen mit einem keramischen Rohr verbunden, wobei eines dieser keramischen Rohre eine Kanalwand des Strömungskanals ausbildet. Besonders bevorzugt sind sämtliche Halbleiterelemente des thermoelektrischen Moduls direkt mit dem Strömungskanal verbunden. Dies führt zu einem homogeneren Aufbau, der konstruktiv einfach zu gestalten ist und fertigungstechnisch einfach umzusetzen ist.
Vorzugsweise ist das thermoelektrische Modul radial außen zum Strömungskanal angeordnet. Der Strömungskanal kann somit radial innen von dem heißen Fluid durchströmt werden, während die thermoelektrischen Module radial außerhalb zum Strömungskanal mit dem keramischen Strömungskanal verbunden werden können. Dadurch ergibt sich für die thermoelektrischen Module eine vergleichsweise große vom Strömungskanal wegweisende Außenfläche, die zu einer verbesserten Kühlung der thermoelektrischen Module führt. Es ist möglich, dass bereits eine passive Kühlung, beispielsweise durch natürliche Konvektion, ausreichend ist, um eine hinreichend große Temperaturdifferenz für das thermoelektrische Modul zu erreichen, welche zu einem entsprechend großen elektrischen Strom des thermoelektrischen Moduls führt. Die Menge der erzeugten elektrischen Energien des thermoelektrischen Moduls kann dadurch vergrößert werden.
Vorzugsweise ist ein Kühlkanal zum Kühlen des mindestens einen thermoelektrischen Moduls gesehen, wobei der Kanal thermisch mit dem thermoelektrischen Modul kontaktiert ist. Durch den Kühlkanal kann die vom Strömungskanal weg- weisende Seite des thermoelektrischen Moduls besonders stark gekühlt werden, wodurch sich eine besonders große Temperaturdifferenz für das thermoelektri- sehe Modul einstellt. Dies erhöht den von dem thermoelektrischen Modul erzeugbaren Stromfluss. Als Kühlmedien des Kühlkanals kann Umgebungsluft verwendet werden. Es ist auch möglich, dass das heiße Fluid des Strömungskanals insbesondere nach einer zusätzlichen Kühlung mit Hilfe eines Kühlers als Kühlmedium des Kühlkanals verwendet wird. Der Kühlkanal ist insbesondere derart ausgestaltet, dass das Kühlmedium des Kühlkanals im Gegenstrom zum heißen Fluid des Strömungskanals den Kühlkanal durchströmt. Dadurch kann über die Länge des Strömungskanals eine im Wesentlichen konstante Temperaturdifferenz für die entlang des Strömungswegs angeordneten thermoelektri- sehen Module oder Halbleiterelemente bereitgestellt werden. Dies führt zu einer im Wesentlichen gleichmäßigen Stromerzeugung mit Hilfe der thermoelektrischen Module entlang des Strömungswegs.
Besonders bevorzugt ist der Kühlkanal aus einem keramischen Material herge- stellt. Dadurch ergeben sich im Wesentlichen die gleichen Vorteile wie vorstehend anhand des keramischen Strömungskanals erläutert. Insbesondere kann der konstruktive Aufwand thermische Energie in elektrische Energie zu wandeln, reduziert werden und der Wärmeleitungswiderstand zwischen dem thermoelekt- rischem Modul und dem keramischen Kühlkanal reduziert werden. Prinzipiell ist es ausreichend, wenn lediglich die zum thermoelektrischen Modul weisende Seite des Strömungskanals und/oder des Kühlkanals aus einem keramischen Material hergestellt ist. Vorzugsweise sind sämtliche Begrenzungswände in radialer Richtung des Strömungskanals und/oder des Kühlkanals aus einem keramischen Material hergestellt. Dadurch ist es möglich, vergleichbare Herstellungsverfahren für den Strömungskanal und/oder den Kühlkanal zu verwenden, wodurch der
Wärmeübertrager, besser durch eine Massenfertigung hergestellt werden kann. Das thermoelektrische Modul ist insbesondere sowohl radial innen als auch radial außen mit einem keramischen Rohr verbunden, wobei eines dieser keramischen Rohre eine Kanalwand des Strömungskanals und/oder eines dieser kera- mischen Rohre eine Kanalwand des Kühlkanals ausbildet.
Besonders bevorzugt ist der Kühlkanal direkt mit dem thermoelektrischen Modul verbunden, wobei insbesondere das thermoelektrische Modul mit dem Kühlkanal stoffschlüssig, insbesondere durch Löten verbunden ist. Unnötige Wärmelei- tungswiderstände zwischen dem Kühlkanal und dem thermoelektrischen Modul können dadurch vermieden werden. Besonders bevorzugt weist das thermoelektrische Modul mindestens ein Halbleiterelement auf, wobei das Halbleiterelement direkt mit dem Kühlkanal verbunden ist, wobei insbesondere das Halbleiterelement mit dem Kühlkanal stoffschlüssig, insbesondere durch Löten verbunden ist. Der Kühlkanal kann somit direkt mit den Halbleiterelementen des thermoelektrischen Moduls verbunden werden, wodurch der Wärmeleitungswiderstand zwischen dem Kühlkanal und den Halbleiterelementen weiter reduziert ist. Gleichzeitig können Metallbrücken zwischen benachbarten Halbleiterelementen als Lot für die stoffschlüssige Verbindung der Halbleiterelemente mit dem Kühlkanal verwendet werden. Die Halbleiterelemente sind insbesondere sowohl radial innen als auch radial außen mit einem keramischen Rohr verbunden, wobei eines dieser keramischen Rohre eine Kanalwand des Strömungskanals und/oder eines dieser keramischen Rohre eine Kanalwand des Kühlkanals ausbildet. Insbesondere sind sämtliche Halbleiterelemente des thermoelektrischen Moduls direkt mit dem Strömungskanal verbunden.
Vorzugsweise ist der Kühlkanal im Wesentlichen koaxial zum Strömungskanal angeordnet. Durch die koaxiale Anordnung ergibt sich zwischen dem Strömungskanal und dem Kühlkanal ein ringförmiger Spalt, in den das mindestens eine thermoelektrische Modul eingesetzt werden kann.
Insbesondere ist der Kühlkanal und/oder der Strömungskanal im Wesentlichen ringförmig ausgestaltet. Durch den ringförmigen Aufbau ist es möglich, für den Volumenstrom des Strömungskanals und/oder des Kühlkanals eine vergleichs- weiße große Oberfläche bereitzustellen, die jeweils zum thermoelektrischen Modul weist. Dadurch kann die Heizleistung des heißen Fluids des Strömungskanals und/oder die Kühlleistung des Kühlmediums des Kühlkanals vergrößert werden.
Die Erfindung betrifft ferner einen Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der Abgasstrang einen Wärmeübertrager aufweist, der wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Der Strömungskanal des Wärmeübertragers ist von Abgas der Brennkraftmaschine durchströmbar. Insbesondere weist der Strömungskanal im Bereich der thermoelektrischen Module einen Katalysator zur Behandlung der Abgase auf, so dass zusätzlich die exotherme Energie des Katalysators von dem thermoelektrischen Modulen ge- nutzt werden kann. Die von den thermoelektrischen Modulen erzeugte elektrische Energie kann insbesondere verwendet werden, um eine Bordelektronik des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen und/oder eine Autobatterie aufzuladen. Durch den verbesserten Aufbau des zu verwendenden Wärmeü- bertragers kann der konstruktive Aufwand thermische Energien in elektrische
Energie zu wandeln, reduziert werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie eines Fluids in elektrische Energie, bei dem insbesondere mit Hilfe eines Wärmeübertragers, der wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, mindestens ein thermoelektrisches Modul zur Generierung elektrischer Energien nur über einen aus einem keramischen Material hergestellten Strömungskanal zum Leiten eines heißen Fluids mit dem heißen Fluid thermisch verbunden ist. Aufgrund des keramischen Strömungskanals können Wärmedeh- nungseffekte des Strömungskanals reduziert werden, so dass der konstruktive
Aufwand thermische Energie in elektrische Energie zu wandeln, reduziert werden kann. Vorzugsweise werden die verwendeten keramischen Materialien durch Strangpressen hergestellt. Hierbei können insbesondere in ihrer Länge überdimensionierte Strangpressprofile hergestellt werden, die auf die jeweilige benötig- te Länge abgeschnitten werden können. Dadurch ist möglich, aus einem einzelnen überdimensionierten Strangpressprofil mehrere Strömungskanäle und/oder Kühlkanäle herzustellen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeich- nungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Wärmeübertragers in ei- ner ersten Ausführungsform;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Wärmeübertragers in einer zweiten Ausführungsform und
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines Wärmeübertragers in einer dritten Ausführungsform. Der in Fig. 1 dargestellte Wärmeübertrager 10 weist einen keramischen Strömungskanal 12 auf, der in einer Strömungsrichtung 14 von einem heißen Fluid, beispielsweise Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs durch- strömt wird. Mit dem keramischen Strömungskanal 12 ist ein thermoelektrisches
Modul 16 verbunden, das in dargestellten Ausführungsbeispielen eine metallische Hülle 18 aufweist.
Innerhalb der metallischen Hülle 18 sind mehrere Halbleiterelemente 20 ange- ordnet, die zwischen zwei Keramikscheiben 22 eingespannt sind. Die vom keramischen Strömungskanal 12 weg weisende Seite der thermoelektrischen Module 16 wird durch einen ringförmigen Kühlkanal 24 gekühlt. Der Kühlkanal 24 wird von einem Kühlmedium in einer Kühlrichtung 26 im Gegenstrom zur Strömungsrichtung 14 des Strömungskanals 12 durchströmt.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Wärmeübertrager 10 sind bei dem thermoelektrischen Modul 16 im Vergleich zu Fig. 1 die metallische Hülle 18 und die keramischen Scheiben 22 weggelassen worden, so dass die Halbleiterelemente 20 direkt mit dem keramischen Strömungskanal 12, beispielsweise durch Löten, ver- bunden sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterelemente
20 beidseitig mit einem durchgängigen keramischen Kanal 28 verbunden, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel der innere keramische Kanal durch den keramischen Strömungskanal 12 ausgebildet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der äußere keramische Kanal 28 in direktem Kontakt mit dem Kühlkanal 24, der im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem metallischen Material ausgebildet sein kann.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform des Wärmeübertragers 3 ist im Vergleich zu der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Kühlkanal 24 voll- ständig aus einem keramischen Material hergestellt. Der im dargestellten Ausführungsbeispiel ringförmige Kühlkanal 24 weist somit sowohl einen zum thermoelektrischen Modul 16 weisende keramische Innenwand und eine vom thermoelektrischen Modul 16 wegweisende keramische Außenwand auf. Es ist aber auch möglich, dass der Kühlkanal 24 und/oder der Strömungskanal 12 nur an der zum thermoelektrischen Modul 16 weisenden Seite aus einem keramischen Material hergestellt ist, während eine von thermoelektrischen Modul 16 weg weisen- de Seite des Kühlkanals 24 und/oder des Strömungskanals 12, sofern vorhanden, aus einem anderen Material, beispielsweise Metall, hergestellt sein kann. Der keramische Kühlkanal 24 kann im dargestellten Ausführungsbeispiel direkt mit den Halbleiterelementen 20 der thermoelektrischen Module 16 verlötet sein.

Claims

Ansprüche
1 . Wärmeübertrager, insbesondere zur Umwandlung von thermischer Energie eines Fluids, vorzugsweise Abgas eines Verbrennungsmotors, in elektrische Energie, mit einem Strömungskanal (12) zum Leiten eines heißen Fluids und mindestens einem mit dem Strömungskanal (12) thermisch verbundenem thermoelektrischem Modul (16) zur Generierung elektrischer Energie,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Strömungskanal (12) aus einem keramischen Material hergestellt ist.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (12) direkt mit dem thermoelektrischen Modul (16) verbun- den ist, wobei insbesondere das thermoelektrische Modul (16) mit dem Strömungskanal (12) stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, verbunden ist.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (12) derart ausgestaltet ist, dass der Strömungskanal (12) im Betrieb in direktem Kontakt mit dem heißen Fluid steht.
4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Modul (16) mindestens ein Halbleiterelement (20) aufweist, wobei das Halbleiterelement (20) direkt mit dem Strö- mungskanal (12) verbunden ist, wobei insbesondere das Halbleiterelement
(20) mit dem Strömungskanal (12) stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, verbunden ist.
5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sämtli- che Halbleiterelemente (20) des thermoelektrischen Moduls (16) direkt mit dem Strömungskanal (12) verbunden sind.
6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Modul (16) radial außen zum Strömungskanal (12) angeordnet ist.
7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkanal (24) zum Kühlen des mindestens einen thermoelekt- rischen Moduls (16) vorgesehen ist, wobei der Kühlkanal (24) thermisch mit dem thermoelektrischen Modul (16) kontaktiert ist.
8. Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (24) aus einem keramischen Material hergestellt ist.
9. Wärmeübertrager nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (24) direkt mit dem thermoelektrischen Modul (16) verbunden ist, wobei insbesondere das thermoelektrische Modul (16) mit dem Kühlkanal (24) stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, verbunden ist.
10. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeich- net, dass das thermoelektrische Modul (16) mindestens ein Halbleiterelement (20) aufweist, wobei das Halbleiterelement (20) direkt mit dem Kühlkanal (24) verbunden ist, wobei insbesondere das Halbleiterelement (20) mit dem Kühlkanal (24) stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, verbunden ist.
1 1 . Wärmeübertrager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Halbleiterelemente (20) des thermoelektrischen Moduls (16) direkt mit dem Strömungskanal (24) verbunden sind.
12. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch gekenn- zeichnet, dass der Kühlkanal (24) im Wesentlichen koaxial zum Strömungskanal (12) angeordnet ist.
13. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (24) und/oder der Strömungskanal (12) im We- sentlichen ringförmig ausgestaltet ist.
14. Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Wärmeübertrager (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dessen Strömungskanal (12) von Abgas der Brennkraftmaschine durchströmbar ist.
15. Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie eines Fluids in elektrische Energie, bei dem insbesondere mit Hilfe eines Wärmeübertragers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mindestens ein thermoelektrisches Modul (16) zur Generierung elektrischer Energie nur über einen aus einem keramischen Material hergestellten Strömungskanal (12) zum Leiten eines hei- ßen Fluids mit dem heißen Fluid thermisch verbunden ist.
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