WO2016177700A1 - Thermoelektrische generatoreinheit und abgassystem - Google Patents

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WO2016177700A1
WO2016177700A1 PCT/EP2016/059842 EP2016059842W WO2016177700A1 WO 2016177700 A1 WO2016177700 A1 WO 2016177700A1 EP 2016059842 W EP2016059842 W EP 2016059842W WO 2016177700 A1 WO2016177700 A1 WO 2016177700A1
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WO
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generator unit
thermoelectric generator
unit according
outer housing
compensation element
Prior art date
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PCT/EP2016/059842
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English (en)
French (fr)
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Maria KARL
Sylvain Pellissard
Martin Kluge
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Faurecia Emissions Control Technologies, Germany Gmbh
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Publication date
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    • 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 by exhaust energy
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • 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
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    • 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 generator unit and exhaust system are Thermoelectric generator unit and exhaust system
  • thermoelectric generator unit in particular for coupling to an exhaust pipe of an internal combustion engine, and an exhaust system.
  • heat energy is converted into electrical energy according to the Seebeck effect.
  • thermoelectric modules are usually installed in the thermoelectric generator, in each of which a number of series-connected thermoelectric elements of specific material pairings of different metals or semiconductor materials are arranged. A temperature gradient is applied via these thermoelectric elements, whereupon the thermoelectric module generates an electrical voltage.
  • thermoelectric modules are for example in the form of flat, thin, encapsulated individual units on the market.
  • To generate the temperature gradient often the heat energy of an exhaust gas flow of an exhaust system of a vehicle is exploited. The possibility of recovering energy from the heat of the exhaust gas is becoming increasingly attractive with rising fuel prices.
  • thermoelectric generator unit in particular for an exhaust system of an internal combustion engine, which has an outer housing in which at least one hot fluid flowed through the first inner channel is arranged, and with at least one thermoelectric module, which on a hot side in thermal contact with the inner channel, wherein within the outer housing at least one elastic compensation element is arranged, which is formed so that it generates a force acting on the thermoelectric module clamping force.
  • the elastic compensation element consists of at least 60% organic material. It has surprisingly been found that it is possible to achieve both a permanent contact pressure and sufficient thermal and acoustic insulation to the outside with low material costs and a simple processability with organic materials.
  • the organic material comprises an organic natural material or is an organic natural material.
  • Organic natural materials are understood here to be, in particular, renewable raw materials of animal and vegetable origin. It is possible that the elastic compensation element consists for the most part or even completely of the organic natural material.
  • Cork flax, hemp, grass, bamboo fibers, bast, jute, sisal, kenaf, abaca fibers, coconut fibers, wool, in particular sheep's wool, seagrass, wood fibers, cotton or kapok can be used, for example.
  • a mixture of these materials or of other materials with these substances can also be used in each case.
  • the organic natural material may be, for example, a fiber material.
  • Fiber materials generally have the advantage of being easy to process and having good permanently elastic properties. Cork is particularly advantageous for the non-fibrous organic natural materials because of its high elasticity, its good acoustic and thermal insulating properties and its high temperature resistance.
  • the organic natural material may optionally be treated with a substance which increases its thermal stability.
  • substances could be used, which are also used for the treatment of organic natural materials as Verdämmmaterial example in building, for example, known flame retardants that inhibit oxygen access.
  • the organic material comprises a polymer, wherein both suitable biopolymers and suitable synthetic polymers can be used.
  • advantageous polymers are elastomers, polyurethanes or high temperature silicones, but any other suitable polymer may be used.
  • "organic material” is considered to be any material containing carbon atoms, that is to say the so-called inorganic polymers such as silicones in which no carbon atoms are present in the polymer main chain but other elements such as, for example, silicon.
  • organic materials are essentially electrically insulating in principle.
  • the elastic compensation element is at least 80%, in particular at least 90% and optionally completely made of organic material.
  • the organic material may be a single substance, but also a mixture, for example of different organic natural materials, different polymers or even a mixture of organic natural materials with one or more polymers. However, the organic material should have a temperature resistance of at least 180 ° C, and preferably withstand such temperatures for several hours.
  • the elastic compensating element may comprise a suitable inorganic-based functional material, for example a filler material such as fibers or air.
  • the elastic compensation element is provided in the form of a mat.
  • the mat can have a uniform thickness prior to installation in the thermoelectric generator unit, so that it can be manufactured as a sheet material and only cut to the required dimensions.
  • the elastic compensation element has a component-adapted shape with varying thickness, wherein it receives this shape prior to assembly of the elastic compensation element in the thermoelectric generator unit.
  • the shaping can be done for example by a three-dimensional cutting out of a block material, but also by conventional known injection molding, casting, pressing or foaming processes in appropriate molds.
  • thermoelectric generator unit can be easily manufactured, so that achieved in a cost effective manner a very homogeneous contact pressure on the thermoelectric modules and thus the energy yield and the life of the thermoelectric generator unit can be increased.
  • Suitable materials for this production method are, for example, cork or elastomers. From these materials, dimensionally stable three-dimensional bodies with variable thickness and component-adapted contours can also be easily prepared.
  • the elastic compensation element may be formed in one piece, but it can also be composed of several individual parts, which facilitates the production of elastic compensation elements with complex shapes.
  • the elastic compensating element may also comprise a cured foam which fills a space within the outer housing.
  • thermoelectric compensation element is prefabricated in a foam mold prior to assembly in the thermoelectric generator unit and is installed fully cured.
  • the assembly of the elastic compensation element of several individual parts is possible.
  • the elastic compensation element can be arranged, for example, on the inside of the outer housing, where it generates a clamping force between the outer housing and the components of the thermoelectric generator unit arranged in the interior of the outer housing. At this position causes the elastic compensation element at the same time a thermal and acoustic insulation to the environment of the exhaust system. In addition, the lowest temperature load occurs at this point, so that the temperatures are usually below the limit temperatures of organic natural materials.
  • the outer housing may have structures, in particular ribs, elevations or depressions.
  • the elastic compensation element is preferably flat in the region of the structures on the inside of the outer housing. This can be achieved with an elastic compensation element with a uniform initial thickness by the elastic compensation element is compressed more in sections during assembly in order to follow the structures can. With organic natural materials, but also with elastomers, it is easy to achieve the necessary flexibility and elasticity, for example, for the elastic compensation element in order to achieve a sufficient adaptability to the structures of the outer housing permanently and while maintaining the elastic properties.
  • the elastic compensating element may also be prefabricated in a complex three-dimensional shape which, in a section of its surface, images the geometry of the inside of the outer housing.
  • the compression force on the elastic compensation element by the outer housing at each point of the contact surface to the inside of the outer housing is substantially equal, so that a very homogeneous contact force is transmitted over the surface of the elastic compensation element to the thermoelectric modules.
  • At least one second internal passage through which a cold fluid flows is provided inside the outer housing, which is in thermal contact with a cold side of the thermoelectric module.
  • This second inner channel may be in fluid communication with a cooling circuit, which is for example part of a general cooling circuit of the vehicle. In this way, the temperature gradient and thus the yield of electrical energy can be maximized.
  • Each of the inner channels preferably consists of a separate tube, for example a metal tube, so that the channels of the thermoelectric generator unit can be manufactured inexpensively.
  • a separate tube for example a metal tube
  • the channels of the thermoelectric generator unit can be manufactured inexpensively.
  • thermoelectric module directly contacts the channel wall of the respective inner channel. It is equally possible that the channel wall in the region of the thermoelectric module has an opening and the thermoelectric module protrudes into the channel, so that its hot or cold side is in direct contact with the fluid flowing through the inner channel.
  • the elastic compensation element on the inside of the outer housing, and an elastic compensation element between two inner channels can be arranged.
  • the elastic compensation element is directly in contact with the walls of the two adjacent inner channels. It is advantageous if the two inner channels are each traversed by a cold fluid to keep the temperature load for the organic natural material as low as possible.
  • the invention further relates to an exhaust system, in particular of a vehicle, with a thermoelectric generator unit according to the invention.
  • the Outer housing has an exhaust inlet and an exhaust outlet that extends to or from the inner channel.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a thermoelectric generator unit according to the invention as part of an exhaust system according to the invention according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view of a thermoelectric generator unit according to the invention as part of an exhaust system according to the invention according to a second embodiment
  • FIG. 3 is a schematic longitudinal sectional view of a thermoelectric generator unit according to the invention as part of an exhaust system according to the invention according to a third embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic, perspective cross-sectional view of a thermoelectric generator unit according to the invention as part of an exhaust gas system according to the invention in accordance with a fourth embodiment
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a thermoelectric generator unit according to the invention as part of an exhaust system according to the invention according to a fifth embodiment.
  • thermoelectric generator unit 100 shows a cross section through a thermoelectric generator unit 100 according to a first embodiment, which is part of a vehicle exhaust system.
  • a tube 104 is received in a metallic outer housing 102, which is composed here of two half-shells.
  • the pipe 104 is connected to an exhaust pipe (not shown) in the exhaust system of an internal combustion engine such that the exhaust gas forming a hot fluid H flows through a first inner passage 106 formed inside the pipe 104.
  • the wall of the tube 104 simultaneously forms a channel wall 108 which delimits the inner channel 106.
  • the tube 104 is formed here flattened on two opposite sides, so that in each case a planar contact surface 1 10 is provided on the outside of the channel wall 108.
  • thermoelectric modules 1 12 are arranged on both sides of the tube 104, which rest with its hot side S H in this example directly on the outside of the tube 104, ie directly on the channel wall 108.
  • the channel wall 108 has openings through which the hot sides S H of the thermoelectric modules 1 12 protrude, so that these hot sides S H are directly in contact with the hot exhaust gas flow inside the first inner channel 106.
  • thermoelectric modules 1 12 a number of individual thermoelectric elements of different, suitable material pairings is arranged in known manner.
  • the respective thermoelectric module 1 12 is encapsulated by a housing relative to the environment.
  • Each thermoelectric module 1 12 can therefore be installed as a separate unit in the thermoelectric generator unit 100.
  • thermoelectric modules 1 12 are electrically connected to each other, and the electrical voltage generated in them can be tapped via not shown, known connection lines.
  • thermoelectric modules 112 are located between the thermoelectric module 1 12 and the inner side 1 14 of the outer housing 102, an elastic compensation element 1 16.
  • the elastic compensation element 1 16 consists of at least 60% and for example at least 80%, at least 90% or completely of an organic material.
  • the organic material is in a first variant, an organic natural material, here a material on animal or vegetable Base.
  • the organic material is a carbon-containing polymer.
  • organic natural material cork in particular is suitable for all embodiments.
  • fiber materials can be used to mention here are: flax, hemp, grass, bamboo fibers, bast, jute, sisal, kenaf, Abacamaschinen, coconut fibers, animal wool, seagrass, wood fibers, cotton or kapok.
  • a mixture of these substances or a mixture of other materials with these substances may also be used.
  • the organic natural materials are treated with a fabric which increases their thermal stability, for example impregnated with a flame retardant material.
  • high temperature silicones or elastomers are used as the polymer.
  • Polymers can also be used in foamed form; Polyurethanes and suitable thermoplastics.
  • Organic natural materials and polymers can also be mixed.
  • compensating elements 16 with a high content of organic materials can easily withstand a temperature of up to 180 ° C. for a prolonged period without losing their structural or elastic properties.
  • the elastic compensation element 1 16 it is recommended, however, to arrange the elastic compensation element 1 16 at the points in the interior of the outer housing 102, where the lowest temperature load prevails.
  • FIG. 1 One possible such location is the arrangement shown in FIG. 1 directly on the inner side 14 of the outer housing 102.
  • the elastic compensation element 1 16 has a certain inherent elasticity and is installed in a compressed state in the interior of the outer housing 102 to exert such a high clamping force on the thermoelectric modules 1 12 and the tube 104 that they are held immovably inside the outer housing 102 ,
  • the individual components, in particular the tube 104, can also be selectively attached to the outer housing 102 be, depending on the design of the elastic compensating element 1 16 can also be dispensed with an additional attachment.
  • two elastic compensation elements are provided, which are arranged in the figure respectively above and below the tube 104 on the inner side 1 14 of the outer housing 102.
  • the elastic compensation element 1 16 here has the form of a thin, flexible mat, so is a flat structure, which has a significantly greater extent in its longitudinal and transverse directions than it is thick.
  • the elastic compensation element 1 16 is cut in a first variant of a web of uniform thickness, and this blank is disposed between the inner side 1 14 of the outer housing 102 and the cold side S K of the thermoelectric modules 1 12.
  • the elastic compensation element 1 16 can deform so that it eventually structures provided on the inner side of the outer housing 1 14 (see also Figure 4) or on the cold side S K of the thermoelectric modules 1 12 compensates and follows them.
  • the elastic compensation element 1 16 is compressed to a certain extent, so that due to the elastic properties of the elastic compensation element 1 16 a bias is built, which exerts a permanent clamping force on the assembly of the thermoelectric modules 1 12 and the tube 104.
  • the elastic compensation element 1 16 is prefabricated in a complex, three-dimensional shape with varying dimensions along its extension and inserted into the outer housing 102.
  • the outer side of the elastic compensation element 1 16 facing the inner side 14 of the outer housing 102 forms the geometry of the inner side 14, so that a continuous contact surface between the inner side 14 of the outer housing 102 and the outer side of the elastic compensation element 16 is formed.
  • the side facing the thermoelectric modules 1 12 or, in the following embodiments to the inner channels 106 side is preferably designed flat to abut flat against the likewise flat outer sides of the thermoelectric modules 1 12 and inner channels 106.
  • the compression force acting on the elastic compensation element 16 1 16 is very homogeneous in this case on the elastic compensation element 1 16 and varies only slightly.
  • the elastic compensation element 1 16 is formed by the curing of a polymer foam in the interior of the outer housing 102.
  • a flowable foam material made of a polymer for example made of polyurethane, is introduced into a predetermined region of the outer housing 102, where the foam cures to the elastic compensation element 16. It is possible that in the course of this foaming, the volume of the foam is increased.
  • thermoelectric generator unit 200 shows a second embodiment of a thermoelectric generator unit 200. This is shown in a longitudinal section, so that here also connecting piece 218 can be seen at both longitudinal ends for connection to the exhaust pipe. Such connecting pieces are also provided in the thermoelectric generator units of the other embodiments.
  • the left connector 218 defines an inlet and the right defines an outlet for exhaust. All outer housings 102 shown in the figures have an inlet and an outlet for exhaust gas which leads to or leads away from the at least one inner duct 106.
  • a second inner channel 220 is arranged, which is traversed by a cold fluid K, which is supplied for example by a cooling circuit of the internal combustion engine or an air conditioning system of the vehicle.
  • the second inner channels 220 are formed here as the first inner channel 106 each of a separate tube.
  • the elastic compensation element 1 16 in this example is completely wrapped around the assembly of the inner channels 106, 220 forming tubes and lying between them thermoelectric modules 1 12 and is between the outer sides of the second inner channels 220 forming tubes and the inside of the outer housing 102nd clamped as described in the first embodiment.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a thermoelectric generator unit 300.
  • the elastic compensation element 16 is not arranged on the inside of the outer housing 102, but lies in the middle of the outer housing 102 between two second inner channels 220 which guide the cold fluid K. Also at this point within the thermoelectric generator unit 300, the temperature load for the elastic compensation element 1 16 is comparatively low.
  • the walls of all inner channels 106, 220 are here also flattened on the elastic compensation element 1 16 side facing, and these flat sides 1 10 are aligned parallel to each other.
  • the elastic compensation element 1 16 may also be a flat mat in this example, which has approximately the dimension of the flat side 1 10 of the second inner channel 220.
  • thermoelectric module 1 16 it is also possible to produce the elastic compensation element 1 16 by introducing a foam-like organic material, for example a polyurethane foam, which cures inside the outer housing 102 and has the necessary elasticity to a permanent contact pressure on the components of the thermoelectric generator 300.
  • a foam-like organic material for example a polyurethane foam
  • four groups of thermoelectric modules 1 12 are provided here, which are arranged on two first inner channels 106, the hot fluid H lead.
  • thermoelectric modules 1 12 are each positioned between a first and a second inner channel 106, 220, so that the hot side S H in each case in contact with the wall of the first inner channel 106 and the cold side S K in each case in contact with the wall of the second inner channel 220 ,
  • the inner channels 106, 220 could be designed so that the thermoelectric modules 1 12 protrude into this and are in direct contact with the hot or cold fluid H, K.
  • the clamping force which holds the assembly of the inner channels 106, 220 forming tubes and the thermoelectric modules 1 12 clamped in the outer housing 102 can be completely applied, for example, by an undersized outer housing 102 and thereby compressed, elastic compensation element 1 16.
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of a thermoelectric
  • FIG. 4 also shows a possibility of forming connections 422 for the supply and discharge of the cold fluid K for the second inner channels 220 in the outer housing 102.
  • the tube 104 is divided, so that a bypass channel 424 is formed, which lies between two first inner channels 106.
  • the wall 108 of the tube 104 encloses both first inner channels 106 and a bypass channel 424. If, for example, the temperature load for the thermoelectric modules 1 12 during operation of the internal combustion engine is too high, then the exhaust gas flow can be switched in a manner not shown so that at least a majority of the exhaust gas flows through the bypass channel 424 and so the thermoelectric modules 1 12 are thermally relieved.
  • ribs 426 are formed in the first inner channels 106 in this example, which absorb the heat of the exhaust gas and forward it to the wall 108 of the tube 104 and thus to the hot side S H of the thermoelectric modules 1 12.
  • the outer housing 102 has an oval cross section in this embodiment.
  • the outer housing 102 in this example has a plurality of stabilizing structures 428 in the form of transverse ribs. Due to its inherent elasticity, the elastic compensation element 16 adjoins these structures 428. It can also be used in this case, an originally flat elastic compensation element 1 16, which has a uniform thickness prior to assembly.
  • the elastic compensation element 1 16 is prefabricated as a three-dimensional molded part, the side facing the inside of 1 14 of the outer housing 102 follows the course of the structures 428.
  • Cork for example, which can be brought into the desired shape in a pressing process, offers itself here as organic material.
  • elastomer that can be injection-molded, for example, or a rigid foam that hardens before mounting in a foam mold, is conceivable.
  • the second inner channels 220 are flat only on the side facing the thermoelectric modules 12, but on the side facing the outer housing 102 they follow the oval cross section of the housing. It would be possible, even the second Form inner channels 220 with a rectangular cross-section and instead the elastic compensation element 16 1 with a semi-oval cross section, so that it has a flat side, which is then directed to the outside of the second inner channels 220, and a curved, the course of the inner side 1 14 of the outer housing 102nd following page.
  • FIG. 5 shows a fifth embodiment of a thermoelectric generator unit 500.
  • an outer housing 102 is provided along the inner side 1 14, an elastic compensation element 1 16 runs.
  • the outer housing 102 is oval shaped.
  • the inner channels 106, 220 are aligned parallel to the short axis. Accordingly, a larger number of inner channels 106, 220 are provided, wherein in each case first and second inner channels 106, 220 alternate. In each case, a cold fluid K leading second inner channel 220 lies on the narrow sides of the outer housing 102. All the inner channels 106, 220 are formed here by individual tubes 528. In each case, one or more thermoelectric modules 1 12 lie between the individual tubes 528. The assembly of tubes 528 and thermoelectric modules 1 12 is wrapped by the elastic compensation element 16 and is held together in the outer housing 102 by its elastic clamping force.
  • the outer housing 102 can always be composed, for example, of two half-shells, which can be divided along the long axis or along the short axis.
  • the outer housing 102 may of course also be wound in all variants.
  • the tubes forming the inner channels 106, 220 can be designed in all embodiments with a rectangular cross-section. In general, all the features of the individual embodiments can be combined with one another at the discretion of the person skilled in the art or against each other be replaced.
  • the elastic compensation element 1 16 is always at least 60% of an organic material.

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Abstract

Eine thermoelektrische Generatoreinheit, insbesondere für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, hat ein Außengehäuse (102), in dem wenigstens ein mit einem heißen Fluid (H) durchstromter erster Innenkanal (106) angeordnet ist, und mit wenigstens einem thermoelektrisches Modul (112), das an einer Heißseite (SH) in thermischem Kontakt mit dem ersten Innenkanal (106) ist. Innerhalb des Außengehäuses (102) ist wenigstens ein elastisches Ausgleichselement (116) angeordnet, das eine auf das thermoelektrische Modul (112) wirkende Klemmkraft erzeugt. Das elastische Ausgleichselement (116) besteht wenigstens zu 60% aus organischem Material.

Description

Thermoelektrische Generatoreinheit und Abgassystem
Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Generatoreinheit, insbesondere zur Ankopplung an eine Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine, und ein Abgassystem. In einem thermoelektrischen Generator wird nach dem Seebeck-Effekt Wärmeenergie in elektrische Energie umgesetzt. Zu diesem Zweck sind im thermoelektrischen Generator meist mehrere sogenannte thermoelektrische Module verbaut, in denen jeweils eine Anzahl von in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elementen aus spezifischen Materialpaarungen unterschiedlicher Metalle bzw. Halbleitermaterialien angeordnet sind. Über diese thermoelektrischen Elemente wird ein Temperaturgradient angelegt, woraufhin das thermoelektrische Modul eine elektrische Spannung erzeugt.
Derartige thermoelektrische Module sind beispielsweise in Form von flächigen, dünnen, gekapselten einzelnen Einheiten auf dem Markt. Zur Erzeugung des Temperaturgradienten wird oft die Wärmeenergie eines Abgasstroms einer Abgasanlage eines Fahrzeugs ausgenutzt. Die Möglichkeit, Energie aus der Wärme des Abgases rückzugewinnen, gewinnt mit steigenden Treibstoffpreisen eine immer höhere Attraktivität. Die Ausbeute an elektrischer Energie ist umso größer, je besser die thermoelektrischen Module in direkten Kontakt mit der Wärme des Abgases gebracht werden können. Daher werden die Komponenten in thermoelektrischen Generatoreinheiten oft durch Klemmkräfte aneinandergehalten, um die Heiß- und Kaltseiten der thermoelektrischen Module ohne störende Klebstoffschichten in direkten thermischen Kontakt mit den jeweiligen, die Temperaturdifferenz liefernden Komponenten zu bringen. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, Matten aus einem Drahtgeflecht oder Lagermatten für Substrate von Katalysatoren und Partikelfiltern einzusetzen, die mineralische Fasern aufweisen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine hohe ökologische Qualität einer thermoelektrischen Generatoreinheit und eines Abgassystems zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht bei einer thermoelektrischen Generatoreinheit, insbesondere für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, die ein Außengehäuse aufweist, in dem wenigstens ein mit einem heißen Fluid durchströmter erster Innenkanal angeordnet ist, und mit wenigstens einem thermoelektrischen Modul, das an einer Heißseite in thermischem Kontakt mit dem Innenkanal ist, wobei innerhalb des Außengehäuses wenigstens ein elastisches Ausgleichselement angeordnet ist, das so ausgebildet ist, dass es eine auf das thermoelektrische Modul wirkende Klemmkraft erzeugt. Das elastische Ausgleichselement besteht zu wenigstens 60% aus organischem Material. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass sich sowohl eine dauerhafte Anpresskraft als auch eine ausreichende thermische und akustische Isolierung nach außen mit günstigen Materialkosten und einer einfachen Verarbeitbarkeit mit organischen Materialien erreichen lässt.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform umfasst das organische Material ein organisches Naturmaterial oder ist ein organisches Naturmaterial. Unter organischen Naturmaterialien werden hier insbesondere nachwachsende Rohstoffe tierischen und pflanzlichen Ursprungs verstanden. Es ist möglich, dass das elastische Ausgleichselement zum überwiegenden Teil oder sogar vollständig aus dem organischen Naturmaterial besteht.
Einsetzbare organische Naturmaterialien sind beispielsweise Kork, Flachs, Hanf, Gras, Bambusfasern, Bast, Jute, Sisal, Kenaf, Abacäfasern, Kokosfasern, Wolle, insbesondere Schafwolle, Seegras, Holzfasern, Baumwolle oder Kapok. Natürlich kann auch jeweils eine Mischung aus diesen Stoffen oder von anderen Materialien mit diesen Stoffen verwendet werden.
Das organische Naturmaterial kann beispielsweise ein Fasermaterial sein. Fasermaterialien haben allgemein den Vorteil, sich gut verarbeiten zu lassen und gute dauerhaft elastische Eigenschaften aufzuweisen. Bei den nicht-faserigen organischen Naturmaterialien ist insbesondere Kork wegen seiner hohen Elastizität, seiner guten akustischen und thermischen Dämmfähigkeit und seiner hohen Temperaturbeständigkeit vorteilhaft. Um die Temperaturfestigkeit zu erhöhen, kann das organische Naturmaterial gegebenenfalls mit einem Stoff behandelt sein, der dessen thermische Stabilität erhöht. Hier könnten Stoffe zum Einsatz kommen, die auch für die Behandlung von organischen Naturmaterialien als Verdämmmaterial beispielsweise im Hausbau eingesetzt werden, beispielsweise bekannte Flammschutzmittel, die den Sauerstoffzugang hemmen.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst das organische Material ein Polymer, wobei sowohl geeignete Biopolymere wie auch geeignete synthetische Polymere eingesetzt werden können. Insbesondere sind vorteilhafte Polymere Elastomere, Polyurethane oder Hochtemperatur-Silikone, aber es lässt sich auch jedes andere geeignete Polymer verwenden. Als "organisches Material" wird gemäß einer Variante der Erfindung jedes Material betrachtet, das Kohlenstoffatome enthält, also auch die sogenannten anorganischen Polymere wie Silikone, bei denen in der Polymerhauptkette keine Kohlenstoffatome, sondern andere Elemente wie beispielsweise Silizium enthalten sind.
Von Vorteil bei organischen Materialien ist auch, dass sie grundsätzlich im Wesentlichen elektrisch isolierend sind.
Vorzugsweise besteht das elastische Ausgleichselement zu wenigstens 80 %, insbesondere zu wenigstens 90 % und optional vollständig aus organischem Material.
Das organische Material kann dabei ein einziger Stoff sein, aber auch eine Mischung, beispielsweise aus verschiedenen organischen Naturmaterialien, verschiedenen Polymeren oder auch aus einer Mischung von organischen Naturmaterialien mit einem oder mehreren Polymeren. Das organische Material sollte jedoch eine Temperaturbeständigkeit bis wenigstens 180 °C aufweisen, und vorzugsweise über mehrere Stunden derartigen Temperaturen standhalten.
Neben dem organischen Material kann das elastische Ausgleichselement ein geeignetes Funktionsmaterial auf anorganischer Basis umfassen, z.B. ein Füllmaterial wie etwa Fasern oder Luft. In einer möglichen Variante wird das elastische Ausgleichselement in Form einer Matte bereitgestellt. Die Matte kann vor dem Verbauen in der thermoelektrischen Generatoreinheit eine gleichförmige Dicke haben, sodass sie als Flächenmaterial hergestellt werden kann und nur auf die benötigten Maße zugeschnitten werden muss.
Es ist jedoch auch möglich, dass das elastische Ausgleichselement eine bauteilangepassten Form mit variierender Dicke aufweist, wobei es diese Form vor der Montage des elastischen Ausgleichselement in der thermoelektrischen Generatoreinheit erhält. Die Formgebung kann beispielsweise durch ein dreidimensionales Ausschneiden aus einem Blockmaterial erfolgen, aber auch durch herkömmliche bekannte Spritz-, Guß-, Press- oder Schäumprozesse in entsprechenden Werkzeugformen.
Auf diese Weise lassen sich auch elastische Ausgleichselemente mit komplexen Außengeometrien einfach fertigen, sodass auf kostengünstige Weise eine sehr homogene Anpresskraft auf die thermoelektrischen Module erzielt und so die Energieausbeute sowie die Lebensdauer der thermoelektrischen Generatoreinheit erhöht werden kann.
Geeignete Materialien für diese Fertigungsweise sind beispielsweise Kork oder Elastomere. Aus diesen Materialien lassen sich auch auf einfache Weise formstabile dreidimensionale Körper mit variabler Dicke und bauteilangepassten Konturen vorfertigen.
Das elastische Ausgleichselement kann einstückig ausgebildet sein, es lässt sich aber auch aus mehreren Einzelteilen zusammensetzen, was die Fertigung von elastischen Ausgleichselementen mit komplexen Formen erleichtert. Das elastische Ausgleichselement kann auch einen ausgehärteten Schaum umfassen, der einen Raumbereich innerhalb des Außengehäuses ausfüllt.
In einer möglichen Variante ist das thermoelektrische Ausgleichselement vor der Montage in der thermoelektrischen Generatoreinheit in einer Schäumform vorgefertigt und wird vollständig ausgehärtet verbaut. Hierbei ist auch das Zusammensetzen des elastischen Ausgleichselements aus mehreren Einzelteilen möglich. In einer anderen Variante wird das organische Material des elastischen Ausgleichselements in fließfähiger Form, optional als Schaum, in das Außengehäuse eingebracht, füllt dort den zur Verfügung stehenden Raum aus, und härtet in dieser Gestalt aus. Auf diese Weise wird dauerhaft eine sehr homogene Anpresskraft und eine gute Fixierung der thermoelektrischen Module im Außengehäuse erreicht.
Das elastische Ausgleichselement lässt sich beispielsweise an der Innenseite des Außengehäuses anordnen, wo es eine Klemmkraft zwischen dem Außengehäuse und den im Inneren des Außengehäuses angeordneten Komponenten der thermoelektrischen Generatoreinheit erzeugt. An dieser Position bewirkt das elastische Ausgleichselement gleichzeitig eine thermische und akustische Isolierung zur Umgebung der Abgasanlage. Außerdem tritt an dieser Stelle die geringste Temperaturbelastung auf, sodass die Temperaturen normalerweise unterhalb der Grenztemperaturen der organischen Naturmaterialien liegen.
Das Außengehäuse kann Strukturen aufweisen, insbesondere Rippen, Erhebungen oder Vertiefungen. Das elastische Ausgleichselement liegt bevorzugt im Bereich der Strukturen flächig an der Innenseite des Außengehäuses an. Dies kann mit einem elastischen Ausgleichselement mit einer gleichförmigen Ausgangsdicke erreicht werden, indem das elastische Ausgleichselement bei der Montage abschnittsweise stärker komprimiert wird, um den Strukturen folgen zu können. Mit organischen Naturmaterialien, aber auch mit Elastomeren, lässt sich beispielsweise einfach für das elastische Ausgleichselement die notwendige Flexibilität und Elastizität erreichen, um eine ausreichende Anpassungsfähigkeit an die Strukturen des Außengehäuses dauerhaft und unter Erhalt der elastischen Eigenschaften zu erreichen.
Alternativ kann das elastische Ausgleichselement aber wie oben beschrieben auch in einer komplexen dreidimensionalen Form vorgefertigt sein, die in einem Abschnitt ihrer Oberfläche die Geometrie der Innenseite des Außengehäuses abbildet. In diesem Fall ist die Kompressionskraft auf das elastische Ausgleichselement durch das Außengehäuse an jedem Punkt der Kontaktfläche zur Innenseite des Außengehäuses im Wesentlichen gleich, sodass eine sehr homogene Anpresskraft über die Fläche des elastischen Ausgleichselements auf die thermoelektrischen Module übertragen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zur Erhöhung des Temperaturgradienten wenigstens ein zweiter, von einem kalten Fluid durchströmter Innenkanal innerhalb des Außengehäuses vorgesehen, der in thermischem Kontakt mit einer Kaltseite des thermoelektrischen Moduls ist. Dieser zweite Innenkanal kann in Strömungsverbindung mit einem Kühlkreislauf sein, der beispielsweise Teil eines generellen Kühlkreislaufs des Fahrzeugs ist. Auf diese Weise lässt sich der Temperaturgradient und damit die Ausbeute an elektrischer Energie maximieren.
Jeder der Innenkanäle besteht vorzugsweise aus einem eigenen Rohr, beispielsweise einem Metallrohr, sodass sich die Kanäle der thermoelektrischen Generatoreinheit kostengünstig fertigen lassen. Alternativ wäre es auch möglich, die Kanäle in speziell geformten Elementen, etwa aus einer Sinterkeramik, zu realisieren.
Der thermische Kontakt mit dem Innenkanal kann dadurch erfolgen, dass das thermoelektrische Modul unmittelbar die Kanalwandung des jeweiligen Innenkanals kontaktiert. Genauso ist es möglich, dass die Kanalwandung im Bereich des thermoelektrischen Moduls eine Öffnung aufweist und das thermoelektrische Modul in den Kanal hineinragt, sodass seine Heiß- bzw. Kaltseite in direktem Kontakt mit dem den Innenkanal durchströmenden Fluid ist.
Alternativ oder zusätzlich dazu, das elastische Ausgleichselement an der Innenseite des Außengehäuses zu platzieren, kann auch ein elastisches Ausgleichselement zwischen zwei Innenkanälen angeordnet sein. Vorzugsweise ist das elastische Ausgleichselement direkt in Kontakt mit den Wandungen der beiden nebeneinanderliegenden Innenkanäle. Hierbei ist es günstig, wenn die beiden Innenkanäle jeweils von einem kalten Fluid durchströmt werden, um die Temperaturbelastung für das organische Naturmaterial möglichst gering zu halten. Die Erfindung betrifft ferner ein Abgassystem, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit. Das Außengehäuse weist einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass auf, der zum bzw. der vom Innenkanal verläuft.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine schematische Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit als Teil eines erfindungsgemäßen Abgassystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
Figur 2 eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit als Teil eines erfindungsgemäßen Abgassystems gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Figur 3 eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit als Teil eines erfindungsgemäßen Abgassystems gemäß einer dritten Ausführungsform;
Figur 4 eine schematische, perspektivische Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit als Teil eines erfindungsgemäßen Abgassystems gemäß einer vierten Ausführungsform; und
Figur 5 eine schematische Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit als Teil eines erfindungsgemäßen Abgassystems gemäß einer fünften Ausführungsform.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine thermoelektrische Generatoreinheit 100 gemäß einer ersten Ausführungsform, die Teil eines Fahrzeug- Abgassystems ist.
In einem metallischen Außengehäuse 102, das hier aus zwei Halbschalen zusammengesetzt ist, ist ein Rohr 104 aufgenommen. Das Rohr 104 wird so mit einer (nicht dargestellten) Abgasleitung im Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine verbunden, dass das Abgas, das ein heißes Fluid H bildet, durch einen im Inneren des Rohrs 104 gebildeten ersten Innenkanal 106 strömt. Die Wand des Rohrs 104 bildet gleichzeitig eine Kanalwandung 108, die den Innenkanal 106 begrenzt. Das Rohr 104 ist hier an zwei gegenüberliegenden Seiten abgeflacht ausgebildet, sodass jeweils eine ebene Anlagefläche 1 10 außen an der Kanalwandung 108 bereitgestellt ist. Entlang dieser ebenen Anlageflächen 1 10 sind auf beiden Seiten des Rohrs 104 jeweils mehrere flache, bekannte thermoelektrische Module 1 12 angeordnet, die mit ihrer Heißseite SH in diesem Beispiel direkt auf der Außenseite des Rohrs 104, also direkt auf der Kanalwandung 108, aufliegen.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform weist die Kanalwandung 108 Öffnungen auf, durch die die Heißseiten SH der thermoelektrischen Module 1 12 hindurchragen, sodass diese Heißseiten SH direkt in Kontakt mit dem heißen Abgasstrom im Inneren des ersten Innenkanals 106 sind.
In jedem der thermoelektrischen Module 1 12 ist auf bekannte Weise eine Anzahl von einzelnen thermoelektrischen Elementen aus verschiedenen, geeigneten Materialpaarungen angeordnet. Das jeweilige thermoelektrische Modul 1 12 ist durch ein Gehäuse gegenüber der Umgebung gekapselt. Jedes thermoelektrische Modul 1 12 kann daher als separate Baueinheit in der thermoelektrischen Generatoreinheit 100 verbaut werden.
Die einzelnen thermoelektrischen Module 1 12 sind elektrisch miteinander verbunden, und die in ihnen erzeugte elektrische Spannung kann über nicht dargestellte, bekannte Anschlussleitungen abgegriffen werden.
Vorzugsweise ist die gesamte ebene Fläche 1 10 auf beiden Seiten des Rohrs 104 im Wesentlichen vollständig mit thermoelektrischen Modulen 1 12 bedeckt, um die Ausbeute an elektrischer Energie zu maximieren. Auf der der Heißseite SH entgegengesetzten Kaltseite SK der thermoelektrischen Module 1 12 liegt zwischen dem thermoelektrischen Modul 1 12 und der Innenseite 1 14 des Außengehäuses 102 ein elastisches Ausgleichselement 1 16.
Das elastische Ausgleichselement 1 16 besteht zu wenigstens 60% und beispielsweise zu wenigstens 80%, zu wenigstens 90% oder vollständig aus einem organischen Material. Das organische Material ist in einer ersten Variante ein organisches Naturmaterial, hier ein Material auf tierischer oder pflanzlicher Basis. In einer zweiten Variante ist das organische Material ein Kohlenstoffatome enthaltendes Polymer.
Als organisches Naturmaterial kommt für alle Ausführungsformen insbesondere Kork infrage. Aber auch andere Materialien, beispielsweise Fasermaterialien, können verwendet werden Zu nennen sind hier etwa: Flachs, Hanf, Gras, Bambusfasern, Bast, Jute, Sisal, Kenaf, Abacäfasern, Kokosfasern, tierische Wolle, Seegras, Holzfasern, Baumwolle oder Kapok. Auch eine Mischung dieser Stoffe oder eine Mischung anderer Materialien mit diesen Stoffen kann verwendet werden. Gegebenenfalls werden die organischen Naturmaterialien mit einem Stoff behandelt, der ihre thermische Stabilität erhöht, beispielsweise mit einem flammhemmenden Material getränkt.
Als Polymer finden beispielsweise Hochtemperatur-Silikone oder Elastomere Verwendung. Polymere können auch in geschäumter Form eingesetzt werden, hier bieten sich z.B. Polyurethane und geeignete Thermoplaste an. Organische Naturmaterialien und Polymere lassen sich auch gemischt verwenden.
Es hat sich herausgestellt, dass Ausgleichselemente 1 16 mit einem hohen Anteil an organischen Materialien problemlos für längere Zeit einer Temperatur von bis zu 180 °C widerstehen können, ohne ihre strukturellen oder elastischen Eigenschaften einzubüßen.
Generell empfiehlt es sich aber, das elastische Ausgleichselement 1 16 an den Stellen im Inneren des Außengehäuses 102 anzuordnen, an denen die geringste Temperaturbelastung vorherrscht.
Eine mögliche derartige Stelle ist die in Figur 1 gezeigte Anordnung direkt an der Innenseite 1 14 des Außengehäuses 102.
Das elastische Ausgleichselement 1 16 weist eine gewisse Eigenelastizität auf und ist in einem komprimierten Zustand im Inneren des Außengehäuses 102 verbaut, um eine so hohe Klemmkraft auf die thermoelektrischen Module 1 12 und das Rohr 104 auszuüben, dass diese im Inneren des Außengehäuses 102 unverschieblich gehalten werden. Die einzelnen Komponenten, insbesondere das Rohr 104, können auch noch punktuell am Außengehäuse 102 befestigt sein, je nach Ausbildung des elastischen Ausgleichselements 1 16 kann auf eine zusätzliche Befestigung aber auch verzichtet werden.
Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführung sind zwei elastische Ausgleichselemente vorgesehen, die in der Figur jeweils oberhalb und unterhalb des Rohrs 104 an der Innenseite 1 14 des Außengehäuses 102 angeordnet sind. Es wäre natürlich aber auch möglich, nur ein einziges elastisches Ausgleichselement 1 16 zu verwenden und die Baugruppe aus dem Rohr 104 und den daran angeordneten thermoelektrischen Modulen 1 12 mit dem elastischen Ausgleichselement 1 16 zu umwickeln. Das elastische Ausgleichselement 1 16 hat hier die Form einer dünnen, flexiblen Matte, ist also ein flächiges Gebilde, das eine deutlich größere Erstreckung in seiner Längs- und Querrichtung hat, als es dick ist.
Bei der Fertigung der thermoelektrischen Generatoreinheit 100 wird das elastische Ausgleichselement 1 16 in einer ersten Variante aus einer Bahn mit gleichmäßiger Dicke zugeschnitten, und dieser Zuschnitt wird zwischen der Innenseite 1 14 des Außengehäuses 102 und der Kaltseite SK der thermoelektrischen Module 1 12 angeordnet. Dabei kann sich das elastische Ausgleichselement 1 16 so verformen, dass es eventuell vorgesehene Strukturen an der Innenseite 1 14 des Außengehäuses 102 (siehe auch Figur 4) oder an der Kaltseite SK der thermoelektrischen Module 1 12 ausgleicht und diesen folgt. Bei der Montage wird das elastische Ausgleichselement 1 16 in einem gewissen Maß komprimiert, sodass aufgrund der elastischen Eigenschaften des elastischen Ausgleichselements 1 16 eine Vorspannung aufgebaut wird, die eine dauerhafte Klemmkraft auf die Baugruppe aus den thermoelektrischen Modulen 1 12 und dem Rohr 104 ausübt.
In einer zweiten Variante wird das elastische Ausgleichselement 1 16 in einer komplexen, dreidimensionalen Form mit entlang seiner Erstreckung variierenden Abmessungen vorgefertigt und in das Außengehäuse 102 eingesetzt. Dabei bildet die zur Innenseite 1 14 des Außengehäuses 102 gerichtete Außenseite des elastischen Ausgleichselements 1 16 die Geometrie der Innenseite 1 14 ab, sodass eine kontinuierliche Anlagefläche zwischen der Innenseite 1 14 des Außengehäuses 102 und der Außenseite des elastischen Ausgleichselements 1 16 entsteht. Die zu den thermoelektrischen Modulen 1 12 oder, in den nachfolgenden Ausführungsformen zu den Innenkanälen 106 gerichtete Seite ist hingegen vorzugsweise eben ausgeführt, um flach an den ebenfalls ebenen Außenseiten der thermoelektrischen Module 1 12 bzw. Innenkanäle 106 anzuliegen. Die auf das elastische Ausgleichselement 1 16 wirkende Kompressionskraft ist in diesem Fall über das elastische Ausgleichselement 1 16 sehr homogen und variiert nur wenig.
Diese Variante findet insbesondere Anwendung, wenn das Außengehäuse 102 mit Strukturen versehen ist, wie dies beispielsweise in der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform der Fall ist.
In einer dritten Variante entsteht das elastische Ausgleichselement 1 16 durch das Aushärten eines Polymerschaumes im Inneren des Außengehäuses 102.
In diesem Fall wird ein fließfähiges Schaummaterial aus einem Polymer, beispielweise aus Polyurethan, in einen vorbestimmten Bereich des Außengehäuses 102 eingebracht, wo der Schaum zu dem elastischen Ausgleichselement 1 16 aushärtet. Es ist möglich, dass sich im Verlauf dieses Ausschäumens das Volumen des Schaumes noch erhöht.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden bei der Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsformen jeweils für die bereits eingeführten Bauteile, die in gleicher oder nur wenig veränderter Form auch in den anderen Ausführungsformen vorhanden sind, die bereits bekannten Bezugszeichen beibehalten.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer thermoelektrischen Generatoreinheit 200. Dieses ist ein einem Längsschnitt gezeigt, sodass hier auch Verbindungsstutzen 218 an beiden Längsenden zur Verbindung mit der Abgasleitung zu sehen sind. Derartige Verbindungsstutzen sind auch bei den thermoelektrischen Generatoreinheiten der anderen Ausführungsformen vorgesehen. Der linke Verbindungsstutzen 218 definiert einen Einlass und der rechte einen Auslass für Abgas. Alle in den Figuren gezeigten Außengehäuse 102 weisen einen Einlass und einen Auslass für Abgas auf, der zum wenigstens einen Innenkanal 106 führt bzw. von ihm wegführt. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist hier jeweils auf den Kaltseiten SK der thermoelektrischen Module 1 12 ein zweiter Innenkanal 220 angeordnet, der von einem kalten Fluid K durchströmt wird, das beispielsweise von einem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine oder einer Klimaanlage des Fahrzeugs geliefert wird. Die zweiten Innenkanäle 220 sind hier wie der erste Innenkanal 106 jeweils von einem separaten Rohr gebildet.
Das elastische Ausgleichselement 1 16 ist in diesem Beispiel vollständig um die Baugruppe aus den die Innenkanäle 106, 220 bildenden Rohren sowie den zwischen diesen liegenden thermoelektrischen Modulen 1 12 herumgewickelt und ist zwischen den Außenseiten der die zweiten Innenkanäle 220 bildenden Rohre sowie der Innenseite des Außengehäuses 102 geklemmt, wie dies in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde.
Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer thermoelektrischen Generatoreinheit 300. In diesem Beispiel ist das elastische Ausgleichselement 1 16 nicht an der Innenseite des Außengehäuses 102 angeordnet, sondern liegt in der Mitte des Außengehäuses 102 zwischen zwei zweiten Innenkanälen 220, die kaltes Fluid K führen. Auch an dieser Stelle innerhalb der thermoelektrischen Generatoreinheit 300 ist die Temperaturbelastung für das elastische Ausgleichselement 1 16 vergleichsweise gering. Die Wandungen aller Innenkanäle 106, 220 sind hier auch an der zum elastischen Ausgleichselement 1 16 gerichteten Seite abgeflacht, und diese Flachseiten 1 10 sind parallel zueinander ausgerichtet.
Das elastische Ausgleichselement 1 16 kann auch in diesem Beispiel eine flache Matte sein, die in etwa die Abmessung der Flachseite 1 10 des zweiten Innenkanals 220 hat.
In diesem Beispiel ist es aber auch möglich, das elastische Ausgleichselement 1 16 durch Einbringen eines schaumförmigen organischen Materials, beispielsweise eines Polyurethan-Schaumes, herzustellen, der im Inneren des Außengehäuses 102 aushärtet und der die nötige Elastizität aufweist, um eine dauerhafte Anpresskraft auf die Komponenten des thermoelektrischen Generators 300 auszuüben. Insgesamt sind hier vier Gruppen von thermoelektrischen Modulen 1 12 vorgesehen, die an zwei ersten Innenkanälen 106 angeordnet sind, die heißes Fluid H führen. Die thermoelektrischen Module 1 12 sind jeweils zwischen einem ersten und einem zweiten Innenkanal 106, 220 positioniert, sodass die Heißseite SH jeweils in Kontakt mit der Wandung des ersten Innenkanals 106 und die Kaltseite SK jeweils in Kontakt mit der Wandung des zweiten Innenkanals 220 ist. Auch hier könnten natürlich die Innenkanäle 106, 220 so gestaltet sein, dass die thermoelektrischen Module 1 12 in diese hineinragen und in direktem Kontakt mit dem heißen oder kalten Fluid H, K sind. Die Klemmkraft, die die Baugruppe aus den die Innenkanäle 106, 220 bildenden Rohren sowie die thermoelektrischen Module 1 12 im Außengehäuse 102 geklemmt hält, kann vollständig z.B. durch ein mit Untermaß hergestelltes Außengehäuse 102 und ein dadurch komprimiertes, elastisches Ausgleichselement 1 16 aufgebracht werden. Zusätzlich könnte aber auch wenigstens ein elastisches Ausgleichselement 1 16 z.B. an der Innenseite des Außengehäuses 102 vorgesehen sein.
In diesem Beispiel ist die Baugruppe in der Figur 3 oberhalb des elastischen Ausgleichselements 1 16 spiegelbildlich zu der Baugruppe unterhalb ausgebildet. Andere Gestaltungen sind natürlich auch denkbar. Figur 4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer thermoelektrischen
Generatoreinheit 400. Die Konstruktion ist ähnlich der Ausführungsform nach Figur 2, wobei ein elastisches Ausgleichselement 1 16 komplett entlang der Innenseite des Außengehäuses 102 entlang verläuft und eine Baugruppe aus einem Rohr 104 sowie zwei Rohren, die jeweils einen zweiten Innenkanal 220 bilden, umschließt. Zwei Gruppen von thermoelektrischen Modulen 1 12 sind jeweils auf den Flachseiten des Rohrs 104 angeordnet und sind mit ihren Heißseiten in Kontakt mit der Wandung des Rohrs 104 und mit ihren Kaltseiten SK in Kontakt mit der Wandung der zweiten Innenkanäle 220, die von Kühlflüssigkeit durchflössen sind. Figur 4 zeigt auch eine Möglichkeit, im Außengehäuse 102 Anschlüsse 422 für die Zu- und Ableitung des kalten Fluids K für die zweiten Innenkanäle 220 auszubilden. Als Besonderheit ist hier das Rohr 104 unterteilt, sodass ein Bypasskanal 424 gebildet ist, der zwischen zwei ersten Innenkanälen 106 liegt. Die Wandung 108 des Rohrs 104 umschließt beide erste Innenkanäle 106 sowie einen Bypasskanal 424. Wird beispielsweise die Temperaturbelastung für die thermoelektrischen Module 1 12 im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zu hoch, so kann auf nichtgezeigte Weise der Abgasstrom so geschaltet werden, dass zumindest ein Großteil des Abgases durch den Bypasskanal 424 strömt und so die thermoelektrischen Module 1 12 thermisch entlastet werden.
Zur besseren Wärmeaufnahme sind in diesem Beispiel Rippen 426 in den ersten Innenkanälen 106 ausgebildet, die die Wärme des Abgases aufnehmen und an die Wandung 108 des Rohrs 104 und somit an die Heißseite SH der thermoelektrischen Module 1 12 weiterleiten.
Das Außengehäuse 102 hat in dieser Ausführungsform einen ovalen Querschnitt. Außerdem weist das Außengehäuse 102 in diesem Beispiel mehrere stabilisierende Strukturen 428 in Form von Querrippen auf. Aufgrund seiner Eigenelastizität passt sich das elastische Ausgleichselement 1 16 an diese Strukturen 428 an. Es kann also auch in diesem Fall ein ursprünglich flaches elastisches Ausgleichselement 1 16 verwendet werden, das vor der Montage eine gleichförmige Dicke hat.
In einer nicht dargestellten Variante ist das elastische Ausgleichselement 1 16 als dreidimensionales Formteil vorgefertigt, dessen zur Innenseite 1 14 des Außengehäuses 102 gerichtete Seite dem Verlauf der Strukturen 428 folgt.
Als organisches Material bietet sich hier beispielsweise Kork an, der in einem Pressverfahren in die gewünschte Form gebracht werden kann. Auch die Verwendung eines Elastomers, das beispielsweise spritzgegossen werden kann oder eines Hartschaums, der vor der Montage in einer Schaumform aushärtet, ist denkbar.
Bei der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform sind die zweiten Innenkanäle 220 nur auf der zu den thermoelektrischen Modulen 1 12 gerichteten Seite flach ausgebildet, auf der zum Außengehäuse 102 weisenden Seite folgen sie jedoch dem ovalen Querschnitt des Gehäuses. Es wäre möglich, auch die zweiten Innenkanäle 220 mit einem rechteckigen Querschnitt auszubilden und stattdessen das elastische Ausgleichselement 1 16 mit einem halbovalen Querschnitt, sodass es eine flache Seite aufweist, die dann zur Außenseite der zweiten Innenkanäle 220 gerichtet ist, sowie eine gewölbte, dem Verlauf der Innenseite 1 14 des Außengehäuses 102 folgende Seite.
Figur 5 schließlich zeigt eine fünfte Ausführungsform einer thermoelektrischen Generatoreinheit 500.
Auch hier ist ein Außengehäuse 102 vorgesehen, entlang dessen Innenseite 1 14 ein elastisches Ausgleichselement 1 16 verläuft. Wie bei der vierten Ausführungsform ist das Außengehäuse 102 oval gestaltet.
Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsformen, bei der die Innenkanäle 106, 220 parallel zur langen Achse der ovalen Querschnittsfläche verlaufen, sind hier die Innenkanäle 106, 220 parallel zur kurzen Achse ausgerichtet. Entsprechend ist eine größere Anzahl von Innenkanälen 106, 220 vorgesehen, wobei sich jeweils erste und zweite Innenkanäle 106, 220 abwechseln. An den schmalen Seiten des Außengehäuses 102 liegt dabei jeweils ein kaltes Fluid K führender zweiter Innenkanal 220. Sämtliche Innenkanäle 106, 220 sind hier durch einzelne Rohre 528 gebildet. Zwischen den einzelnen Rohren 528 liegen jeweils ein oder mehrere thermoelektrische Module 1 12. Die Baugruppe aus Rohren 528 und thermoelektrischen Modulen 1 12 ist von dem elastischen Ausgleichselement 1 16 umwickelt und wird durch dessen elastische Klemmkraft im Außengehäuse 102 zusammengehalten.
Das Außengehäuse 102 kann stets beispielsweise aus zwei Halbschalen zusammengesetzt sein, die entlang der langen Achse oder entlang der kurzen Achse geteilt sein können. Das Außengehäuse 102 kann natürlich in allen Varianten auch gewickelt sein. Ferner ist es möglich, als Außengehäuse 102 ein geschlossenes Rohr zu verwenden, in das die dargestellten Teile wie Rohre, Ausgleichselemente und Module als vormontierte Gesamteinheit axial eingeführt und gestopft werden. Die die Innenkanäle 106, 220 bildenden Rohre können in allen Ausführungsformen mit einem rechteckigen Querschnitt ausgeführt sein. Generell können sämtliche Merkmale der einzelnen Ausführungsformen im Ermessen des Fachmanns miteinander kombiniert oder gegeneinander ausgetauscht werden. Das elastische Ausgleichselement 1 16 besteht jedoch stets zu wenigstens 60% aus einem organischen Material.

Claims

Patentansprüche
1 . Thermoelektrische Generatoreinheit, insbesondere für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Außengehäuse (102), in dem wenigstens ein mit einem heißen Fluid (H) durchströmter erster Innenkanal (106) angeordnet ist, und mit wenigstens einem thermoelektrischen Modul (1 12), das an einer Heißseite (SH) in thermischem Kontakt mit dem ersten Innenkanal (106) ist, wobei innerhalb des Außengehäuses (102) wenigstens ein elastisches Ausgleichselement (1 16) angeordnet ist, das so ausgebildet ist, dass es eine auf das thermoelektrische Modul (1 12) wirkende Klemmkraft erzeugt, wobei das elastische Ausgleichselement (1 16) zu wenigstens 60% aus organischem Material besteht.
2. Thermoelektrische Generatoreinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material ein organisches Naturmaterial umfasst.
3. Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Naturmaterial aus der Gruppe der Stoffe: Kork, Flachs, Hanf, Gras, Bambusfasern, Bast, Jute, Sisal, Keraf, Abacäfasern, Kokosfasern, Wolle, Seegras, Holzfasern, Baumwolle, Kapok oder einer Mischung aus oder mit diesen Stoffen ausgewählt ist.
4. Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Naturmaterial mit einem Stoff behandelt ist, der dessen thermische Stabilität erhöht.
5. Thermoelektrische Generatoreinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material ein Polymer umfasst.
6. Thermoelektrische Generatoreinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein Hochtemperatur-Silikon, ein Elastomer oder ein Polyurethan ist.
7. Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Ausgleichselement zu wenigstens 80%, insbesondere zu wenigstens 90% aus dem organischen Material besteht.
8. Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material eine Temperaturbeständigkeit bis wenigstens 180°C aufweist.
9. Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Ausgleichselement
(1 16) eine Matte, insbesondere mit gleichförmiger Dicke, ist.
10. Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Ausgleichselement (1 16) eine bauteilangepasste Form mit variierender Dicke aufweist.
1 1 . Thermoelektrische Generatoreinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Ausgleichselement (1 16) einen ausgehärteten Schaum umfasst, der einen Raumbereich innerhalb des Außengehäuses (102) ausfüllt.
12. Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Ausgleichselement
(1 16) an der Innenseite (1 14) des Außengehäuses (102) angeordnet ist.
13. Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse (102) Strukturen (428), insbesondere Rippen, Erhebungen oder Vertiefungen, aufweist, und das elastische Ausgleichselement (1 16) im Bereich der Strukturen (428) an der Innenseite (1 14) des Außengehäuses (102) anliegt.
14. Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweiter, von einem kalten Fluid (K) durchströmter Innenkanal (220) innerhalb des Außengehäuses (102) vorgesehen ist und eine Kaltseite (SK) des thermoelektrischen Moduls (1 12) in thermischem Kontakt mit dem zweiten Innenkanal (220) ist.
15. Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Modul (1 12) unmittelbar eine Kanalwandung (108) eines Innenkanals (106, 220) kontaktiert oder dass das thermoelektrische Modul (1 12) in den Innenkanal (106, 220) hineinragt und in direktem Kontakt mit dem durchströmenden Fluid (H, K) ist.
16. Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Ausgleichselement (1 16) zwischen zwei Innenkanälen (106, 220) angeordnet ist.
17. Abgassystem, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer thermoelektrischen Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das Außengehäuse (102) einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass aufweist, die in Fluidverbindung mit dem Innenkanal (106) stehen.
PCT/EP2016/059842 2015-05-07 2016-05-03 Thermoelektrische generatoreinheit und abgassystem WO2016177700A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015107164.9 2015-05-07
DE102015107164.9A DE102015107164A1 (de) 2015-05-07 2015-05-07 Thermoelektrische Generatoreinheit und Abgassystem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016177700A1 true WO2016177700A1 (de) 2016-11-10

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