WO2018099712A1 - Wärmetauscher, insbesondere abgaswärmetauscher, für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2018099712A1
WO2018099712A1 PCT/EP2017/078995 EP2017078995W WO2018099712A1 WO 2018099712 A1 WO2018099712 A1 WO 2018099712A1 EP 2017078995 W EP2017078995 W EP 2017078995W WO 2018099712 A1 WO2018099712 A1 WO 2018099712A1
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Fahmi BEN AHMED
Klaus Luz
Holger Schroth
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Mahle International Gmbh
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Definitions

  • Heat exchanger in particular exhaust gas heat exchanger, for a motor vehicle
  • the invention further relates to a motor vehicle with an internal combustion engine, comprising an exhaust system and such, cooperating with the exhaust system heat exchanger.
  • thermoelectric modules can be provided with thermoelectric elements in the heat exchanger.
  • thermoelectric elements consist of thermoelectric semiconductor materials which convert a temperature difference into a potential difference, ie into an electrical voltage, and vice versa. In this way heat energy can be converted into electrical energy by the heat exchanger. Physically, the thermoelectric modules rely on the Seebeck effect when converting heat into electrical energy.
  • p-doped and n-doped thermoelectric elements are interconnected.
  • thermoelectric generator which can generate electrical energy or an electrical voltage from a temperature difference in conjunction with a corresponding heat flow.
  • the temperature difference between the hot sides and the cold sides of the thermoelectric modules required for generating electrical energy is generated by thermally interacting the hot gas with the hot sides and a coolant with lower temperature hot gas with the cold sides of the thermoelectric modules. This succeeds in which the hot and cold sides of the thermoelectric modules be arranged in a suitable manner in the flowed through by the hot gas and the coolant heat exchanger.
  • the present invention addresses the problem of providing for a heat exchanger of the type described above, an improved or at least another embodiment, which is characterized by improved efficiency.
  • thermoelectric modules with thermoelectric elements in a heat exchanger in such a way that the hot gas guided through the heat exchanger meets the hot sides of the thermoelectric modules in the form of a baffle jet.
  • This has the consequence that the hot gas, a particularly high amount of heat is removed, which can be converted by the thermoelectric modules, the operating principle of a thermoelectric generator, into electrical energy.
  • This is accompanied by an improved efficiency of the heat exchanger, which proves to be particularly advantageous if it is operated as an exhaust gas heat exchanger in order to harness the energy contained in the exhaust gas of an internal combustion engine.
  • An inventive heat exchanger which can be preferably used as an exhaust gas heat exchanger, comprises an outer tube for flowing through with hot gas, which limits an outer tube interior.
  • an inner tube for flowing through the hot gas is arranged, which defines an inner tube interior.
  • the inner tube preferably has a substantially cylindrical geometry. metric shape.
  • a plurality of openings is arranged, by means of which the inner tube interior fluidly communicates with the outer tube interior.
  • the inner tube interior is closed at one longitudinal end of the inner tube by an end wall.
  • the outer tube of the heat exchanger has a peripheral wall, on the outside of which thermoelectric modules are arranged.
  • thermoelectric modules each have a hot side facing the peripheral wall and a cold side facing away from the peripheral wall.
  • the heat exchanger comprises at least one coolant tube for flowing through with a coolant, which is arranged on the cold side of at least one thermoelectric module.
  • a plurality of coolant tubes are present, which are arranged along a circumferential direction of the outer tube at a distance from each other and extending along the longitudinal direction.
  • the coolant tubes are formed as straight tubes and aligned in the longitudinal direction.
  • the arrangement of the coolant tubes is such that on the cold side of each thermoelectric module, a ku hl medium r is arranged r. In this way it is ensured that each thermoelectric module can thermally interact with the guided through the coolant tubes coolant.
  • the inner tube is designed to be open at one of its two longitudinal ends, wherein a gas inlet for introducing the hot gas into the inner tube adjoins the open longitudinal end in the longitudinal direction. This facilitates the introduction of the hot gas into the inner tube.
  • the closed end of the inner tube is fitted with a suitable mechanism - e.g. a flap or cap, rotatable perforated discs and other suitable variants and combinations - provided to open the closure of the inner tube during operation in whole or in part, and thus to control the hot gas impact on the inner surface of the outer tube.
  • a suitable mechanism e.g. a flap or cap, rotatable perforated discs and other suitable variants and combinations - provided to open the closure of the inner tube during operation in whole or in part, and thus to control the hot gas impact on the inner surface of the outer tube.
  • the outer tube has the geometry of a uniform polygon in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the outer tube.
  • two adjacent corners of the polygon are connected by means of a tube wall.
  • the tube walls are preferably formed straight in the cross section.
  • At this Variant is arranged on at least one tube wall, preferably on a plurality of tube walls, most preferably on all tube walls, outside a thermoelectric module. In this way, the cold sides of the typically realized in flat design thermoelectric modules can be arranged flat and with high module density on the outer tube.
  • the inner tube in the cross section perpendicular to the longitudinal direction has a round, preferably a circular, geometry.
  • An inner tube with such a geometry is particularly easy to manufacture, which has an advantageous effect on the manufacturing cost of the heat exchanger.
  • the heat exchanger may be provided with at least one band-shaped clamping element which extends circumferentially along the circumferential direction of the outer tube and is attached to the circumferentially adjacent thermoelectric modules.
  • Particularly suitable two or more such clamping elements are present, which are arranged along the longitudinal direction at a distance from each other.
  • the heat exchanger comprises at least one load distribution element, which is arranged radially between the coolant tube and the cold side of the thermoelectric module for the variant with extending in the axial direction coolant tube between the at least one clamping element and the at least one coolant tube and for the variant with circumferentially extending coolant tube is.
  • the forces acting on the coolant tube and the thermoelectric modules from the clamping element can be introduced uniformly into said components. Damage or even destruction of the thermoelectric modules can in this way be avoided.
  • Another advantage of this embodiment lies in the reduced by the applied contact pressure thermal contact resistance between the contact surfaces of the thermoelectric module and the hot gas-conducting outer tube or the coolant-carrying coolant tube. The resulting reduced temperature drop up to the thermoelectric elements of the thermoelectric module leads to an increased thermoelectric efficiency.
  • a planar layer of an interface material can be introduced between one or more of the component pairings listed below:
  • thermoelectric module between the cold side contact surface of the thermoelectric module and the thermoelectric module facing surface of the load distribution element
  • thermoelectric module remote from the surface of the load distribution element and the surface of the coolant tube
  • the interface material can be arranged in one, several or in all occurring in the heat exchanger positions of the listed component pairings in the same or in different variants with respect.
  • Form, material and thickness of the introduced material In a preferred embodiment, for the one or more interface layers, a thin, sheet-like material is used, which in the thickness direction in the pressure range 1 - 20 bar elastic elongations in the range 5 - allows 50% and has a good thermal conductivity.
  • the interface material is each chosen so that it in the Operation of the heat exchanger at the point of use existing temperatures without damage permanently endures.
  • the outer tube is open at its two longitudinal ends opposite the longitudinal direction for discharging the hot gas.
  • the outer tube is open at one longitudinal end and formed closed at the other longitudinal end. Both variants allow an advantageous discharge of the hot gas from the heat exchanger.
  • the closed longitudinal end of the inner tube is provided with a device which allows a complete or partial discharge of the hot gas from the heat exchanger without this hot gas gives off the heat stored therein to the at least one thermoelectric module.
  • the device expediently comprises a closure mechanism which is controlled by a control / regulating device arranged outside the outer tube. This allows flexible control of the shutter mechanism.
  • the device may comprise a shutter mechanism, which independently regulates by autonomously taking place in the heat exchanger thermo-physical processes without supplying external control signals.
  • a closure mechanism which dispenses in particular with a control / regulating device, special cost advantages go hand in hand.
  • the invention further relates to a motor vehicle with an internal combustion engine with an exhaust system and a previously presented inventive Heat exchanger.
  • the above-explained advantages of the heat exchanger are therefore also transferred to the motor vehicle according to the invention.
  • Fig. 2 shows the heat exchanger of Figure 1 in a cross section perpendicular to
  • FIG. 3 is a perspective view of the heat exchanger without outer housing
  • FIG. 4 shows the heat exchanger of Figure 1 in an exploded view
  • 5 shows a development of the heat exchanger according to FIG. 1 with introduced interface materials at different positions between hot gas outer tube and coolant tube
  • Fig. 6a-c are three different embodiments of the heat exchanger, in which the inner tube 4 occlusive end wall 16 is selectively closed or opened by a closure mechanism.
  • FIG. 1 schematically shows an example of a heat exchanger 1 designed as an exhaust gas heat exchanger in a longitudinal section.
  • the heat exchanger 1 has an outer tube 2 extending along a longitudinal direction L for flowing through with a hot gas H which delimits an outer tube interior 3.
  • an axial direction A is defined in the outer tube interior 3, preferably coaxial with the outer tube 2, an inner tube 4, also for flowing through the hot gas H, arranged which limits an inner tube interior space 5.
  • the inner tube 4 may have the geometric shape of a cylinder as shown in the figures.
  • thermoelectric modules 10 are arranged, each having one of the peripheral wall 9 of the outer tube 2 facing the hot side 1 1 and facing away from the peripheral wall 9 of the outer tube 2 cold side 12. In this way, the hot gas flowing through the outer tube 2 can be thermally coupled to the hot sides 11 of the thermoelectric modules 10.
  • the heat exchanger comprises a plurality of coolant tubes 13 for flowing through a coolant K, which has a lower temperature than the hot gas H.
  • the coolant tubes 13 are arranged on the cold sides 12 of the thermoelectric modules 10, so that the flowing through the coolant tubes 13 coolant K thermally to the cold sides 12 of the thermoelectric modules 10 can couple.
  • the coolant tube 13 are formed in the variant shown in Figure 1 as a straight flat tubes and extend along the longitudinal direction L.
  • the inner tube 4 is formed closed at a first longitudinal end 28a.
  • the inner tube 4 is designed to be open at a second longitudinal end 28b, wherein a gas inlet 27 for introducing the hot gas H into the inner tube 4 can connect to this open longitudinal end 28b in the longitudinal direction L.
  • a gas inlet 27 is indicated in Figure 1 only by a dashed arrow.
  • the above-mentioned components of the heat exchanger 1 can be arranged in a common outer housing 15.
  • FIG. 3 shows the heat exchanger 1 of FIG. 1 in a perspective view.
  • the heat exchanger 1 can have clamping elements 14 which are designed like a ribbon and which extend circumferentially along the circumferential direction U of the outer tube 2 and fix the thermoelectric modules 10 arranged adjacent to one another along the circumferential direction U in a force-fitting manner.
  • the individual clamping elements 14 are arranged along the longitudinal direction L at a distance from each other.
  • the clamping elements 14 may be elastic Tapes, for example, be made of an elastomer, or as steel bands. The use of wires is conceivable.
  • the heat exchanger 1 may be equipped with load distribution elements 22, which tubes in the variant with straight, axially aligned coolant radially between the clamping elements 14 and the coolant tubes 13 may be arranged. In this way, the forces generated by the clamping elements 14 can be introduced uniformly in said components. Damage or even destruction, in particular of the thermoelectric modules 10 can be avoided in this way.
  • Figure 4 shows the above-mentioned components in an exploded view.
  • the representation of Figure 4 can be seen that a plurality of coolant tubes 13 are provided, each extending along the longitudinal direction L and the axial direction A and are arranged with respect to a circumferential direction U of the outer tube 2 at a distance to each other.
  • a coolant tube 13 is disposed on the cold side of each thermoelectric module 10.
  • apertures 7 formed in the peripheral wall 6 are arranged in the manner of a grid along the longitudinal direction L and along the circumferential direction U of the inner tube 4.
  • FIG. 2 shows the heat exchanger 1 of FIG. 1 in the region of the outer tube 2 in a cross section perpendicular to the longitudinal direction L or to the axial direction A.
  • the coolant tubes 13 are not shown in FIG.
  • FIG. 2 shows that the peripheral wall 6 of the inner tube 4 can have a circular geometry perpendicular to the longitudinal direction L in the cross section.
  • Figure 2 has the outer tube 2 in the cross section perpendicular to the longitudinal direction L of the outer tube 2, the geometry of a uniform polygon 17. In each case two adjacent corners 18 of the polygon 17 are connected by means of a straight or planar tube wall 19.
  • the tube walls 19 together form the outer tube 2.
  • a thermoelectric module 10 is arranged on the outside in each case.
  • FIGS 1, 2 and 4 can be seen that in the peripheral wall 6 of the inner tube 4 at each opening 7 a breakthrough 7 bordering and radially outwardly, the outer tube 2 out of the peripheral wall 6 projecting opening collar 20 is formed.
  • the hot gas H can be introduced into the inner tube interior 5 delimited by the inner tube 4 via a gas inlet (not shown in FIG. 1) and flows through it along the axial direction A or the longitudinal direction L (see arrows 21 a). Since the inner tube interior 5 is delimited axially by the end wall 16, the hot gas H can leave the inner tube interior 5 only in the radial direction R through the apertures 7 formed in the peripheral wall 6 (compare arrows 21 b). In the apertures 7 formed with opening collars 20, the hot gas is accelerated in the radial direction R and impinges on the peripheral wall 9 of the outer tube 2 (see arrows 21 c) in the form of a collision jet. In this case, thermal energy is delivered to the thermoelectric modules 10. The rebounding on the peripheral wall 9, so reflected hot gas H can flow out through an end-side outlet 23 from the outer tube interior 3 and leave the heat exchanger 1 (arrows 21 d).
  • FIG. 5 shows, on the basis of a cross section of the heat exchanger 1 perpendicular to the longitudinal direction L, at which positions a respective layer of a nem interface material 30a, 30b, 30c can be arranged.
  • a thermoelectric module 10 between the hot gas H and coolant K associated thermal path 31 resulting in accordance with the foregoing description of the heat exchanger 1 three relevant for the heat transfer pads, in which in the example shown each interface material 30a, 30b, 30c is arranged
  • the interface materials can consist of different materials, as well as differ in structure, density and dimension.
  • interface material 30c may be provided between the hot side contact surface of the thermoelectric module and the outside 8 of the outer tube 2.
  • interface material 30b may be provided between the cold side 12 of the thermoelectric module 10 and the load distribution element 22 facing the thermoelectric module 10.
  • interface material 30a may be provided between the surface of the load distribution element 22 facing away from the thermoelectric module 10 and the associated coolant tube 13.
  • At least one interface material 30a, 30b, 30c can have an elastic deformability in the thickness direction of 5% to 50% in the pressure range 1 bar to 15 bar.
  • At least one interface material 30a, 30b, 30c may have a thermal conductivity in the thickness direction greater than 1 .0 W / mK.
  • the inner tube 4 occlusive end wall 16 can be closed by a closure mechanism 36 or partially or even fully opened in extreme operating conditions for reasons of protection of the thermoelectric Module 10, the hot gas mass flow, which on the openings 7 of the inner tube 4 on the inner surface of the outer tube 2 meets and thus gives off the heat to the thermoelectric modules 10 to reduce.
  • the end wall 16 is provided with an opening 44 for this purpose. This opening 44 is covered by a flap 34.
  • the flap 34 is connected with a rotatable mounting 32 with the inner tube 4 and with the end wall 16.
  • the flap 34 is drivingly connected to an actuating mechanism 35.
  • This adjusting mechanism 35 can be actively controlled by external energy input, such as by means of a servomotor or a suitable lever mechanism.
  • the adjustment of the flap 34 autonomously by internal operating parameters such as e.g. the temperature of the hot gas H, the pressure difference of the hot gas H in the inner tube inner space 5 with respect to the outer tube interior 3, and the surface temperature of the outer tube second
  • FIG. 6b illustrates an example of such an autonomously regulating actuating mechanism 35.
  • Temperature-stable sealing material 39 is introduced between the flap 34 and the end wall 16 provided with the opening, around the opening 44 in order to prevent leakage of the hot gas from the inner tube interior in the closed state 5 in the outer tube interior 3 to minimize.
  • a rod-shaped actuator 37 made of a material having a significantly larger size is provided in the inner tube interior 5 near the wall of the inner tube 4 and at the circumferential position of the hinge of the flap 34 thermal expansion coefficient than that of the material of the inner tube 4 itself arranged. It is expedient to have a greater coefficient of thermal expansion by at least 10e-06 / K.
  • This actuator 37 is fixedly connected to the wall of the inner tube 4 at a point P at the end opposite the end wall 16 of the inner tube 4 and along the longitudinal direction L or the axial direction A of the inner tube 4 at one or more positions by guides 38 guided so that in each of these guides 38, the displacement of the actuator 37 in the longitudinal direction L of the inner tube 4 relative to the guide 38 can take place unhindered.
  • the point P opposite end of the actuator is located at a close distance g to a receiving point T, which is located at a defined radial distance from the bearing 32 of the flap 34.
  • a spring member 40 is mounted such that at each operating point of the heat exchanger a force occluding the flap 34 acts thereon.
  • the distance g between the actuator 37 and the receiving point T is selected so that due to the thermal expansion of the actuator 37, the contact between the opposite end of the point P actuator and the receiving point T of the flap 34 closes at a defined temperature and further Increasing the temperature, the flap 34 opens against the spring force of the spring mechanism 40 by a gap and the opening 44 releases.
  • the opening angle between the flap 34 and the end wall 16 is set over the radial distance of the receiving point T of the flap 34 to the axis of rotation of the bearing 32 of the flap 34 such that the opening for the hot gas H flow cross-section so diverts a portion of the hot gas mass flow, that it is no longer available to the heat transfer to the thermoelectric modules 10 and that these are thus thermally relieved.
  • the temperature in the thermoelectric modules 10 can be effectively limited, effectively protecting the thermoelectric modules 10 from excessive thermomechanical degradation.
  • FIG. 6c shows a further variant of an autonomous regulation of the closure mechanism 36 for the end wall 16 of the inner tube 4.
  • the end wall 16 is designed with at least one opening 43, in one preferred variant with a plurality of openings in a structured arrangement. Shape, position and size of the openings 43 are closely matched with the fluid-dynamic overall process 21 ad of the hot gas H.
  • a further aperture 41 is inserted in the region between the last inner tube opening 7a and the end wall 16, which simulates the inner contour of the inner tube with a small radial distance of 1 -5 mm.
  • the diaphragm 41 is made of a thermo-bimetal and rigidly connected to the inner surface of the inner tube 4 over a small range of 5 mm to 20 mm of the outer contour of the diaphragm 41 (eg by means of laser welding or riveting). The distance between the outer contour of the aperture 41 and the inner surface of the inner tube
  • thermo-bimetallic material of the diaphragm 41 Due to the thermo-bimetallic material of the diaphragm 41, the diaphragm, which is flat at room temperature (41/1), bends with increasing temperature from this flat starting position (41/11).
  • the specific curvature of the thermo-bimetal per Kelvin temperature change is adjusted by the choice of material combination and the layer structure that opens from a critical for the thermoelectric modules 10 temperature of the hot gas H by the deformation of the diaphragm 41, a gap S, through which a portion of the total mass flow of the hot gas 21 a is passed directly to the output of the heat exchanger (21 d), without being able to deliver the heat energy stored in it to the modules.
  • the design of this thermodynamic path with the diaphragm 41, the seal 42 and the introduced into the end wall 16 at least one opening 43 is selected so that through the opening gap
  • thermoelectric modules 10 are not further increased and so the hot side of the thermoelectric modules in each operating point of the heat exchanger can not exceed the critical operating temperature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1), insbesondere einen Abgaswärmetauscher mit einem Außenrohr (2) zum Durchströmen mit Heißgas (H), welches einen Außenrohr-Innenraum (3) begrenzt. Der Wärmetauscher (1) umfasst ein im Außenrohr-Innenraum (3) angeordneten Innenrohr (4), welches einen InnenrohrInnenraum(5) begrenzt. In einer Umfangswand (6) des Innenrohrs (4) ist eine Mehrzahl von Durchbrüchen (7) angeordnet, mittels welcher der Innenrohr- Innenraum (5) mit dem Außenrohr-Innenraum (3) kommuniziert. Auf einer Außenseite (8) einer Umfangswand (9) des Außenrohrs (2) ist eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen (10) angeordnet, die jeweils eine der Umfangswand (9) zugewandte Heißseite (11) und eine von der Umfangswand (9) abgewandte Kaltseite (12) aufweisen. Außerdem umfasst der Wärmetauscher (1) zumindest ein Kühlmittelrohr (13), welches an der Kaltseite (12) zumindest eines thermoelektrischen Moduls (10) angeordnet ist.

Description

Wärmetauscher, insbesondere Abgaswärmetauscher, für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Abgasanlage und einen solchen, mit der Abgasanlage zusammenwirkenden Wärmetauscher.
Wärmetauscher kommen in Verbindung mit Abgasanlagen von Brenn kraftmaschi- nen zum Einsatz, um die im Abgas enthaltene Wärme nutzbar zu machen. Hierfür können im Wärmetauscher thermoelektrische Module mit thermoelektrischen Elementen vorgesehen werden. Solche thermoelektrische Elemente bestehen aus thermoelektrischen Halbleitermaterialien, die eine Temperaturdifferenz in eine Potentialdifferenz, also in eine elektrische Spannung wandeln und umgekehrt. Auf diese Weise kann vom Wärmetauscher Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt werden. Physikalisch beruhen die thermoelektrischen Module auf dem Seebeck-Effekt, wenn sie Wärme in elektrische Energie wandeln. Innerhalb eines thermoelektrischen Moduls sind p-dotierte und n-dotierte thermoelektrische Elemente miteinander verschaltet. Üblicherweise werden mehrere derartige thermoelektrische Module zu einem thermoelektrischen Generator zusammengeschaltet, der aus einer Temperaturdifferenz in Verbindung mit einem entsprechenden Wärmestrom elektrische Energie bzw. eine elektrische Spannung generieren kann. Im Wärmetauscher wird die zum Erzeugen von elektrischer Energie erforderliche Temperaturdifferenz zwischen den Heißseiten und den Kaltseiten der thermoelektrischen Module erzeugt, indem das Heißgas mit den Heißseiten und ein Kühlmittel mit gegenüber dem Heißgas geringerer Temperatur mit den Kaltseiten der thermoelektrische Module in thermische Wechselwirkung gebracht wird. Dies gelingt, in dem die Heiß- und Kaltseiten der thermoelektrischen Module in geeigneter Weise in dem vom Heißgas und vom Kühlmittel durchströmten Wärmetauscher angeordnet werden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Wärmetauscher der vorstehend beschriebenen Art eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich durch eine verbesserte Effizienz auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, thermoelektrische Module mit thermo- elektrischen Elementen in einem Wärmetauscher derart anzuordnen, dass das durch den Wärmetauscher geführte Heißgas in Form eines Prallstrahls auf die Heißseiten der thermoelektrischen Module trifft. Dies hat zur Folge, dass dem Heißgas eine besonders hohe Menge an Wärme entzogen wird, die von den thermoelektrische Modulen, dem Wirkprinzip eines thermoelektrischen Generators folgend, in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Damit geht eine verbesserte Effizienz des Wärmetauschers einher, was sich insbesondere als vorteilhaft erweist, wenn dieser als Abgaswärmetauscher betrieben wird, um die im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltene Energie nutzbar zu machen.
Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher, der vorzugsweise als Abgaswärmetauscher eingesetzt werden kann, umfasst ein Außenrohr zum Durchströmen mit Heißgas, welches einen Außenrohr-Innenraum begrenzt. Im Außenrohr- Innenraum ist, vorzugsweise koaxial zum Außenrohr, ein Innenrohr zum Durchströmen mit dem Heißgas angeordnet, welches einen Innenrohr-Innenraum begrenzt. Bevorzugt besitzt das Innenrohr eine im Wesentlichen zylindrische geo- metrische Formgebung. In einer Umfangswand des Innenrohrs ist eine Mehrzahl von Durchbrüchen angeordnet, mittels welcher der Innenrohr-Innenraum fluidisch mit dem Außenrohr-Innenraum kommuniziert. Der Innenrohr-Innenraum ist dabei an einem Längsende des Innenrohres durch eine Stirnwand verschlossen. Das Außenrohr des Wärmetauschers weist eine Umfangswand auf, auf deren Außenseite thermoelektrische Module angeordnet sind. Die thermoelektrischen Module weisen jeweils eine der Umfangswand zugewandte Heißseite und eine von der Umfangswand abgewandte Kaltseite auf. Außerdem umfasst der Wärmetauscher zumindest ein Kühlmittel rohr zum Durchströmen mit einem Kühlmittel, welches an der Kaltseite zumindest eines thermoelektrischen Moduls angeordnet ist. Mittels der vorangehend erläuterten Anordnung von Außenrohr, Innenrohr und thermoelektrischen Modulen sowie den am Innenrohr umfangsseitig ausgebildeten Durchbrüchen wird in Verbindung mit dem stirnseitigen Verschluss des Innenrohrs erreicht, dass das Heißgas in Form von Prallstrahlen auf die Umfangwand der Außenrohrs prallt, auf welcher außenseitig die Heißseiten der thermoelektrische Module angeordnet sind. Auf diese Weise wird die gewünschte, verbesserte Wechselwirkung des Heißgases mit den thermoelektrischen Modulen erzielt, so dass dem Heißgas eine besonders große Wärmemenge entzogen wird. In der Folge wird von den als thermoelektrischen Generatoren wirkenden thermoelektrischen Modulen entsprechend mehr elektrische Energie erzeugt, was den Wirkungsgrad des Wärmetauschers erhöht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Kühlmittelrohre vorhanden, die entlang einer Umfangsrichtung des Außenrohrs im Abstand zueinander angeordnet sind und sich entlang der Längsrichtung erstrecken.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Kühlmittelrohre als gerade Rohre ausgebildet und in der Längsrichtung ausgerichtet. In beiden Ausfüh- rungsformen erfolgt die Anordnung der Kühlmittelrohre derart, dass an der Kaltseite eines jeden thermoelektrischen Moduls ein Kü hl mittel roh r angeordnet ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass jedes thermoelektrische Modul thermisch mit dem durch die Kühlmittelrohre geführten Kühlmittel wechselwirken kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Innenrohr an einem seiner beiden Längsenden offen ausgebildet, wobei an das offene Längsende in Längsrichtung ein Gaseinlass zum Einleiten des Heißgases in das Innenrohr anschließt. Dies erleichtert die Einleitung des Heißgases in das Innenrohr.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das verschlossene Ende des Innenrohres mit einem geeigneten Mechanismus - z.B. einer Klappe oder Kappe, verdrehbare Lochscheiben und andere geeignete Varianten und Kombinationen - versehen, um den Verschluss des Innenrohrs während des Betriebes ganz oder teilweise zu öffnen und so den Heißgasaufprall auf die innere Oberfläche des Außenrohres zu steuern. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn selten auftretende Betriebspunkte der Heißgasströmung aufgrund des eingeschränkten Querschnittes der Durchbrüche durch das Innenrohrs zu einem überhöhten Druckabfall in der Heißgasströmung führen würde oder die Temperatur an der Heißseite der thermoelektrischen Module die zulässige Grenztemperatur übersteigen würde. In einer höchst bevorzugten Ausführungsform würde ein solcher Öffnungsmechanismus durch den Betriebspunkt der Heißgasströmung (Staudruck, Temperatur) selbst ausgelöst und gesteuert (z.B. thermische Dehnung, Bi-Metall-Effekt).
Zweckmäßig besitzt das Außenrohr in einem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung des Außenrohrs die Geometrie eines gleichmäßigen Vielecks. Dabei sind zwei benachbarte Ecken des Vielecks mittels einer Rohrwand verbunden. Die Rohrwände sind in dem Querschnitt vorzugsweise gerade ausgebildet. Bei dieser Variante ist auf zumindest einer Rohrwand, vorzugsweise auf mehreren Rohrwänden, höchst vorzugsweise auf allen Rohrwänden, außenseitig ein thermo- elektrisches Modul angeordnet. Auf diese Weise können die Kaltseiten der typischerweise in Flachbauweise realisierten thermoelektrischen Module flächig und mit hoher Moduldichte am Außenrohr angeordnet werden.
Besonders zweckmäßig besitzt das Innenrohr in dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung eine runde, vorzugsweise eine kreisrunde, Geometrie. Ein Innenrohr mit einer solchen Geometrie ist besonders einfach herzustellen, was sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten für den Wärmetauscher auswirkt.
Zur Aussteifung des Wärmetauschers und zur Fixierung einzelner Komponenten, wie z.B. der Kühlmittelrohre und der thermoelektrischen Module, kann dieser mit zumindest einem bandartig ausgebildeten Spannelement ausgestattet sein, welches sich entlang der Umfangsrichtung des Außenrohrs umlaufend erstreckt und an den entlang der Umfangsrichtung benachbarten thermoelektrischen Modulen befestigt ist. Besonders zweckmäßig sind zwei oder mehr solche Spannelemente vorhanden, die entlang der Längsrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind.
Besonders bevorzugt umfasst der Wärmetauscher zumindest ein Lastverteilungselement, welches für die Variante mit in axialer Richtung verlaufenden Kühlmittelrohr radial zwischen dem zumindest einen Spannelement und dem zumindest einen Kühlmittelrohr und für die Variante mit in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlmittelrohr radial zwischen den Kühlmittelrohr und der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls angeordnet ist. Auf diese Weise können die von dem Spannelement auf das Kühlmittelrohr und die thermoelektrische Module einwirkenden Kräfte gleichmäßig in besagte Komponenten eingeleitet werden. Eine Beschädigung oder gar Zerstörung der thermoelektrischen Module kann auf diese Weise vermieden werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform liegt in dem durch den aufgebrachten Anpressdruck verminderten thermischen Kontaktwiderstand zwischen den Kontaktflächen des thermoelektrischen Moduls und dem heißgasführenden Außenrohr bzw. dem Kühlmittel führenden Kühlmittelrohr. Der dadurch verminderte Temperaturabfall bis zu den thermoelektrischen Elementen des thermoelektrischen Moduls führt zu einem erhöhten thermoelektrischen Wirkungsgrad.
Zur weiteren Verminderung des thermischen Übergangswiderstandes zwischen den Kontaktflächen des thermoelektrischen Moduls und dem heißgasführenden Außenrohr bzw. dem Kühlmittelrohr kann in einer weiteren Ausführungsform zwischen einem oder mehreren der im folgenden aufgelisteten Komponenten- Paarungen eine flächige Schicht eines Interface-Materials eingebracht werden:
- zwischen der heißseitigen Kontaktfläche des thermoelektrischen Moduls und der äußeren Oberfläche des Außenrohres,
- zwischen der kaltseitigen Kontaktfläche des thermoelektrischen Moduls und der dem thermoelektrischen Modul zugewandten Oberfläche des Lastverteilungselementes,
- zwischen der dem thermoelektrischen Modul abgewandten Oberfläche des Lastverteilungselementes und der Oberfläche des Kühlmittelrohres
Das Interface-Material kann dabei in einem, mehreren oder in allen im Wärmetauscher vorkommenden Positionen der aufgelisteten Komponentenpaarungen in der gleichen oder in unterschiedlichen Varianten bzgl. Form, Material und Dicke des eingebrachten Materials angeordnet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird für die eine oder mehre Interface-Schichten ein dünnes, flächiges Material verwendet, welches in Dickenrichtung im Druckbereich 1 - 20 bar elastische Dehnungen im Bereich 5 - 50 % zulässt und eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist. Zudem ist das Interface-Material jeweils so gewählt, dass es die im Betrieb des Wärmetauschers am Verwendungsort vorliegenden Temperaturen ohne Beschädigung dauerhaft aushält.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Außenrohr an seinen beiden entlang der Längsrichtung gegenüberliegenden Längsenden zum Ausleiten des Heißgases jeweils offen ausgebildet. Bei einer dazu alternativen, bevorzugten Ausführungsform ist das Außenrohr an einem Längsende offen und an dem anderen Längsende geschlossen ausgebildet. Beide Varianten erlauben eine vorteilhafte Ausleitung des Heißgases aus dem Wärmetauscher.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist das geschlossene Längsende des Innenrohrs mit einer Vorrichtung versehen, welche eine vollständige oder teilweise Ausleitung des Heißgases aus dem Wärmetauschers ermöglicht, ohne dass dieses Heißgas die darin gespeicherte Wärme an das mindestens eine thermoelektri- sche Modul abgibt.
Zweckmäßig umfasst die Vorrichtung einen Verschlussmechanismus, welcher durch eine außerhalb des Außenrohrs angeordnete Steuerungs-/Regelungs- einrichtung gesteuert wird. Dies erlaubt eine flexible Steuerung des Verschlussmechanismus.
Alternativ dazu kann die Vorrichtung einen Verschlussmechanismus umfassen, welcher sich eigenständig durch autark im Wärmetauscher stattfindende thermo- physikalische Prozesse ohne Zuführung externer Steuersignale regelt. Mit einem solchen Verschlussmechanismus, der insbesondere auf eine Steuerungs- /Regelungseinrichtung verzichtet, gehen besondere Kostenvorteile einher.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage und einem vorangehend vorgestellten, erfindungsgemäßen Wärmetauscher. Die voranstehend erläuterten Vorteile des Wärmetauschers übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 ein Beispiel eines als Abgaswärmetauscher ausgestalteten Wärmetauschers in einem Längsschnitt,
Fig. 2 den Wärmetauscher der Figur 1 in einem Querschnitt senkrecht zur
Längsrichtung des Wärmetauschers,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Wärmetauschers ohne Außengehäuse,
Fig. 4 den Wärmetauscher der Figur 1 in einer Explosionsdarstellung, Fig. 5 eine Weiterbildung des Wärmetauschers gemäß Figur 1 mit eingebrachten Interface-Materialien an verschiedenen Positionen zwischen Heißgas-Außenrohr und Kühlmittelrohr,
Fig. 6a-c sind drei verschiedene Ausführungsbeispiele des Wärmetauschers, bei welchen die das Innenrohr 4 verschließende Stirnwand 16 durch einen Verschlussmechanismus wahlweise verschlossen oder geöffnet wird.
Die Figur 1 zeigt schematisch ein Beispiel eines als Abgaswärmetauscher ausgestalteten Wärmetauschers 1 in einem Längsschnitt. Entsprechend Figur 1 besitzt der Wärmetauscher 1 ein sich entlang einer Längsrichtung L erstreckendes Außenrohr 2 zum Durchströmen mit einem Heißgas H, welches einen Außenrohr- Innenraum 3 begrenzt. Durch die Längsrichtung L ist eine axiale Richtung A definiert. Im Außenrohr-Innenraum 3 ist, bevorzugt koaxial zum Außenrohr 2, ein Innenrohr 4, ebenfalls zum Durchströmen mit dem Heißgas H, angeordnet, welches einen Innenrohr-Innenraum 5 begrenzt. Das Innenrohr 4 kann wie in den Figuren gezeigt die geometrische Formgebung eines Zylinders besitzen.
In einer Umfangswand 6 des Innenrohrs 4 ist eine Mehrzahl von Durchbrüchen 7 ausgebildet, mittels welcher der Innenrohr-Innenraum 5 fluidisch mit dem Außenrohr-Innenraum 3 kommuniziert. Auf einer Außenseite 8 einer Umfangswand 9 des Außenrohrs 2 sind thermoelektrische Module 10 angeordnet, die jeweils eine der Umfangswand 9 des Außenrohrs 2 zugewandte Heißseite 1 1 und eine von der Umfangswand 9 des Außenrohrs 2 abgewandte Kaltseite 12 aufweisen. Auf diese Weise kann das durch das Außenrohr 2 strömende Heißgas thermisch an die Heißseiten 1 1 der thermoelektrischen Module 10 gekoppelt werden. Weiterhin umfasst der Wärmetauscher mehrere Kühlmittelrohre 13 zum Durchströmen mit einem Kühlmittel K, welches eine geringere Temperatur aufweist als das Heißgas H. Die Kühlmittelrohre 13 sind an den Kaltseiten 12 der thermoelektrischen Module 10 angeordnet, sodass das durch die Kühlmittelrohre 13 strömende Kühlmittel K thermisch an die Kaltseiten 12 der thermoelektrischen Module 10 koppeln kann. Die Kühlmittel röhre 13 sind in der in Figur 1 dargestellten Variante als gerade Flachrohre ausgebildet und erstrecken sich entlang der Längsrichtung L.
Entsprechend der Darstellung der Figur 1 ist das Innenrohr 4 an einem ersten Längsende 28a geschlossen ausgebildet. Hierzu geht die Umfangswand 6 des Innenrohrs 4 in Längsrichtung L bzw. axialer Richtung A in eine geschlossene Stirnwand 16 über.
Das Innenrohr 4 ist an einem zweiten Längsende 28b offen ausgebildet, wobei an dieses offene Längsende 28b in Längsrichtung L ein Gaseinlass 27 zum Einleiten des Heißgases H in das Innenrohr 4 anschließen kann. Ein solcher Gaseinlass 27 ist in Figur 1 lediglich durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet.
Die voranstehend genannten Komponenten des Wärmetauschers 1 können in einem gemeinsamen Außengehäuse 15 angeordnet sein.
Die Figur 3 zeigt den Wärmetauscher 1 der Figur 1 in perspektivischer Darstellung. Der Wärmetauscher 1 kann entsprechend Figur 3 bandartig ausgebildete Spannelemente 14 aufweisen, welches sich entlang der Umfangsrichtung U des Außenrohrs 2 umlaufend erstrecken und die entlang der Umfangsrichtung U benachbart zueinander angeordneten thermoelektrischen Modulen 10 kraftschlüssig fixieren. Die einzelnen Spannelemente 14 sind entlang der Längsrichtung L im Abstand zueinander angeordnet. Die Spannelemente 14 können als elastische Bänder, beispielsweise aus einem Elastomer, oder als Stahlbänder realisiert sein. Auch die Verwendung von Drähten ist denkbar.
Der Figur 3 lässt sich außerdem entnehmen, dass der Wärmetauscher 1 mit Lastverteilungselementen 22 ausgestattet sein kann, welche in der Variante mit geraden, axial ausgerichteten Kühl mittel röhren radial zwischen den Spannelementen 14 und den Kühlmittelrohren 13 angeordnet sein können. Auf diese Weise können die von den Spannelementen 14 erzeugten Kräfte gleichmäßig in besagte Komponenten eingeleitet werden. Eine Beschädigung oder gar Zerstörung insbesondere der thermoelektrischen Module 10 kann auf diese Weise vermieden werden.
Zur Verdeutlichung des Aufbaus des Wärmetauschers 1 zeigt die Figur 4 die vorangehend genannten Komponenten in einer Explosionsdarstellung. Der Darstellung der Figur 4 lässt sich entnehmen, dass mehrere Kühlmittelrohre 13 vorhanden sind, die sich jeweils entlang der Längsrichtung L bzw. der axialen Richtung A erstrecken und bezüglich einer Umfangsrichtung U des Außenrohrs 2 im Abstand zueinander angeordnet sind. Somit ist an der Kaltseite eines jeden thermoelektrischen Moduls 10 ein Kühlmittelrohr 13 angeordnet. Wie die Figuren 1 und 4 anschaulich belegen, sind in die in der Umfangswand 6 ausgebildeten Durchbrüche 7 rasterartig entlang der Längsrichtung L und entlang der Umfangsrichtung U des Innenrohrs 4 angeordnet.
Die Figur 2 zeigt den Wärmetauscher 1 der Figur 1 im Bereich des Außenrohrs 2 in einem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung L bzw. zur axialen Richtung A. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Kühlmittelrohre 13 in Figur 2 nicht dargestellt. Der Figur 2 entnimmt man, dass die Umfangswand 6 des Innenrohrs 4 in dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung L eine kreisrunde Geometrie besitzen kann. Entsprechend Figur 2 besitzt das Außenrohr 2 in dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung L des Außenrohrs 2 die Geometrie eines gleichmäßigen Vielecks 17. Jeweils zwei benachbarte Ecken 18 des Vielecks 17 sind mittels einer gerade bzw. eben ausgebildeten Rohrwand 19 verbunden. Die Rohrwände 19 bilden zusammen das Außenrohr 2 aus. Auf den Außenseiten 8 der Rohrwände 19 ist außenseitig jeweils ein thermoelektrisches Modul 10 angeordnet.
Den Figuren 1 , 2 und 4 lässt sich entnehmen, dass in der Umfangswand 6 des Innenrohrs 4 an jedem Durchbruch 7 ein diesen Durchbruch 7 einfassender und radial nach außen, zum Außenrohr 2 hin von der Umfangswand 6 abstehender Öffnungskragen 20 ausgebildet ist.
Anhand der Figur 1 wird im Folgenden die Durchströmung des Wärmetauscher 1 mit Heißgas H erläutert. Über einen in Figur 1 nicht näher dargestellten Gasein- lass kann das Heißgas H in den vom Innenrohr 4 begrenzten Innenrohr- Innenraum 5 eingeleitet werden und durchströmt diesen entlang der axialen Richtung A bzw. der Längsrichtung L (vgl. Pfeile 21 a). Da der Innenrohr-Innenraum 5 axial von der Stirnwand 16 begrenzt wird, kann das Heißgas H den Innenrohr- Innenraum 5 nur in radialer Richtung R durch die in der Umfangswand 6 ausgebildeten Durchbrüche 7 verlassen (vgl. Pfeile 21 b). In den mit Öffnungskrägen 20 ausgebildeten Durchbrüchen 7 wird das Heißgas in der radialen Richtung R beschleunigt und prallt jeweils in Form eines Prallstrahls auf die Umfangswand 9 des Außenrohrs 2 (vgl. Pfeile 21 c). Dabei wird thermische Energie an die thermo- elektrische Module 10 abgegeben. Das an der Umfangswand 9 abprallende, also reflektierte Heißgas H kann durch einen stirnseitigen Auslass 23 aus dem Außenrohr-Innenraum 3 ausströmen und den Wärmetauscher 1 verlassen (Pfeile 21 d).
In Figur 5 ist anhand eines Querschnitts des Wärmetauschers 1 senkrecht zur Längsrichtung L dargestellt, an welchen Positionen jeweils eine Schicht aus ei- nem Interface-Material 30a, 30b, 30c angeordnet werden kann. In jedem zu einem thermoelektrischen Modul 10 zwischen Heißgas H und Kühlmittel K zugehörigen thermischen Pfad 31 ergeben sich gemäß der vorangegangenen Beschreibung des Wärmetauschers 1 drei für die Wärmeübertragung relevante Kontaktstellen, in welche in dem dargestellten Beispiel jeweils Interface-Material 30a, 30b, 30c angeordnet ist. Die Interface-Materialien können sowohl aus verschiedenen Materialien bestehen, als auch sich in Struktur, Dichte und Abmessung unterscheiden. So kann Interface-Material 30c zwischen der heißseitigen Kontaktfläche des thermoelektrischen Moduls und der Außenseite 8 des Außenrohrs 2 vorgesehen sein. Weiterhin kann Interface-Material 30b zwischen der Kaltseite 12 des thermoelektrischen Moduls 10 und dem dem thermoelektrischen Modul 10 zugewandten Lastverteilungselementes 22 vorgesehen sein. Weiterhin kann Interface- Material 30a zwischen der dem thermoelektrischen Modul 10 abgewandten Oberfläche des Lastverteilungselementes 22 und dem zugeordneten Kühlmittelrohr 13 vorgesehen sein. Zumindest ein Interface-Material 30a, 30b, 30c kann im Druckbereich 1 bar bis 15 bar eine elastische Verformbarkeit in Dickenrichtung von 5% bis 50% aufweisen. Zumindest ein Interface-Material 30a, 30b, 30c kann eine thermische Leitfähigkeit in Dickenrichtung größer 1 .0 W/mK aufweisen.
In den Figuren 6a, 6b, 6c sind drei verschiedene Ausführungsformen des Wärmetauschers 1 dargestellt, in welcher die das Innenrohr 4 verschließende Stirnwand 16 durch einen Verschlussmechanismus 36 verschlossen oder teilweise oder sogar vollständig geöffnet werden kann, um in extremen Betriebszuständen aus Gründen des Schutzes der thermoelektrischen Module 10 den Heißgasmassen- strom, welcher über die Durchbrüche 7 des Innenrohres 4 auf die Innenoberfläche des Außenrohres 2 trifft und so die Wärme an die thermoelektrischen Module 10 abgibt, zu reduzieren. In Figur 6a wird dazu die Stirnwand 16 mit einer Öffnung 44 versehen. Diese Öffnung 44 wird von einer Klappe 34 abgedeckt. Die Klappe 34 ist mit einer drehbaren Lagerung 32 mit dem Innenrohr 4 bzw. mit der Stirnwand 16 verbunden. Zudem ist die Klappe 34 mit einem Stellmechanismus 35 antriebsverbunden. Dieser Stellmechanismus 35 kann durch externen Energieeintrag aktiv gesteuert werden, etwa mittels eines Stellmotors oder einer geeigneten Hebel-Mechanik.
Ebenfalls möglich ist die Verstellung der Klappe 34 autonom durch interne Betriebsparameter wie z.B. der Temperatur des Heißgases H, der Druckdifferenz des Heißgases H im Innenrohr-Innenraum 5 gegenüber dem Außenrohr- Innenraum 3, sowie der Oberflächentemperatur des Außenrohres 2.
Die Figur 6b illustriert ein Beispiel eines solchen sich autonom regelnden Stellmechanismus 35. Dabei wird zwischen der Klappe 34 und der mit der Öffnung versehenen Stirnwand 16 umlaufend um die Öffnung 44 temperaturstabiles Dichtmaterial 39 eingebracht, um im geschlossenen Zustand Leckagen des Heißgases aus dem Innenrohr-Innenraum 5 in den Außenrohr-Innenraum 3 zu minimieren.
In einer ersten Variante des autonom arbeitenden Stellmechanismus, welche in Figur 6b dargestellt ist, wird im Innenrohr-Innenraum 5 nahe der Wand des Innenrohres 4 und an der Umfangsposition des Scharniers der Klappe 34 ein stabför- miger Aktuator 37 aus einem Material mit einen deutlich größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der des Materials des Innenrohres 4 selbst angeordnet. Zweckmäßig ist ein um mindestens 10e-06/K größerer thermischer Ausdehnungskoeffizient. Dieser Aktuator 37 ist an dem der Stirnwand 16 gegenüberliegenden Ende des Innenrohres 4 an einem Punkt P fest mit der Wand des Innenrohres 4 verbunden und entlang der Längsrichtung L bzw. der axialen Richtung A des Innenrohres 4 an einer oder mehreren Positionen durch Führungen 38 so geführt, dass in jeder dieser Führungen 38 die Verschiebung des Aktuators 37 in Längsrichtung L des Innenrohres 4 gegenüber der Führung 38 ungehindert stattfinden kann.
Das dem Punkt P gegenüberliegende Ende des Aktuators befindet sich in einem engen Abstand g zu einem Aufnahmepunkt T, welcher sich mit definierten radialen Abstand zur Lagerung 32 der Klappe 34 befindet. Weiterhin wird zwischen der Klappe 34 und einem starr mit dem Innenrohr 4 verbundenen Bauteil (z.B. Teil des Scharniers) ein Federelement 40 derart angebracht, dass bei jedem Betriebspunkt des Wärmetauschers eine die Klappe 34 verschließende Kraft auf diese wirkt. Der Abstand g zwischen dem Aktuator 37 und dem Aufnahmepunkt T ist so gewählt, dass sich aufgrund der thermischen Längenausdehnung des Aktuators 37 der Kontakt zwischen dem den Punkt P gegenüberliegenden Ende des Aktuators und dem Aufnahmepunkt T der Klappe 34 zu einer definierten Temperatur schließt und bei weiterer Erhöhung der Temperatur sich die Klappe 34 gegen die Federkraft des Federmechanismus 40 um einen Spalt öffnet und die Öffnung 44 freigibt. Der Öffnungswinkel zwischen der Klappe 34 und der Stirnwand 16 wird über den radialen Abstand des Aufnahmepunktes T der Klappe 34 zur Drehachse der Lagerung 32 der Klappe 34 derart eingestellt, dass der sich für das Heißgas H öffnende Strömungsquerschnitt einen Teil des Heißgas- Massestroms so umleitet, dass er der Wärmeübertragung an die thermoelektri- schen Module 10 nicht mehr zur Verfügung steht und diese somit thermisch entlastet werden. Die Temperatur in den thermoelektrischen Modulen 10 kann so effektiv begrenzt werden, was die thermoelektrischen Module 10 wirksam vor übermäßiger thermomechanischer Degradation schützt.
Die Figur 6c zeigt eine weitere Variante einer autonomen Regelung des Verschlussmechanismus 36 für die Stirnwand 16 des Innenrohres 4. In dieser Variante wird die Stirnwand 16 mit mindestens einer Öffnung 43 ausgeführt, in einer bevorzugten Variante mit mehreren Öffnungen in einer strukturierten Anordnung. Form, Lage und Größe der Öffnungen 43 sind eng mit dem fluid-dynamischen Gesamtprozess 21 a-d des Heißgases H abgestimmt. Im Innenrohr-Innenraum 5 wird in dem Bereich zwischen der letzten Innenrohr-Öffnung 7a und der Stirnwand 16 eine weitere Blende 41 eingefügt, welche die Innenkontur des Innenrohres mit einem kleinen radialen Abstand von 1 -5 mm nachbildet. Die Blende 41 ist aus einem Thermo-Bimetall hergestellt und über einen kleinen Bereich von 5 mm bis 20 mm der Außenkontur der Blende 41 biegestarr mit der Innenoberfläche des Innenrohres 4 verbunden, (z.B. mittels Laserschweißen oder Nieten). Der Abstand zwischen der Außenkontur der Blende 41 und der Innenoberfläche des Innenrohres
4 wird mit einer umlaufenden temperaturstabilen Dichtung 42 abgedichtet. Aufgrund des thermo-bimetallischen Materials der Blende 41 biegt sich die Blende, welche bei Raumtemperatur eben ist (41/1), mit zunehmender Temperatur aus dieser ebenen Ausgangslage heraus (41/11). Die spezifische Krümmung des Thermo-Bimetalls pro Kelvin Temperaturänderung ist durch die Wahl der verwendeten Materialkombination und den Lagenaufbau so abgestimmt, dass sich ab einer für die thermoelektrischen Module 10 kritischen Temperatur des Heißgases H durch die Verformung der Blende 41 ein Spalt S öffnet, durch welchen ein Teil des gesamten Massenstrom des Heißgases 21 a direkt zum Ausgang des Wärmetauschers geleitet wird (21 d), ohne die in ihm gespeicherte Wärmeenergie an die Module abgeben zu können. Die Auslegung dieses thermodynamischen Pfades mit der Blende 41 , der Dichtung 42 und der in die Stirnwand 16 eingebrachten mindestens einen Öffnung 43 ist so gewählt, dass durch den sich öffnenden Spalt
5 zwischen Dichtung 42 und Innenoberfläche des Innenrohres 4 der Wärmeeintrag in die thermoelektrischen Module 10 nicht weiter erhöht wird und so die Heißseite der thermoelektrischen Module in jedem Betriebspunkt des Wärmetauschers die kritische Einsatztemperatur nicht übersteigen kann.

Claims

Ansprüche
1 . Wärmetauscher (1 ), insbesondere Abgaswärmetauscher,
mit einem sich entlang einer Längsrichtung (L) erstreckenden Außenrohr (2), welches einen Außenrohr-Innenraum (3) zum Durchströmen mit einem Heißgas (H) begrenzt,
mit einem, vorzugsweise koaxial zum Außenrohr (2), im Außenrohr-Innenraum
(3) angeordneten, sich entlang der Längsrichtung (L) erstreckenden Innenrohr
(4) , welches einen Innenrohr-Innenraum (5) begrenzt,
wobei in einer Umfangswand (6) des Innenrohrs (4) eine Mehrzahl von
Durchbrüchen (7) angeordnet ist, mittels welcher der Innenrohr-Innenraum (5) mit dem Außenrohr-Innenraum (3) kommuniziert,
wobei der Innenrohr-Innenraum (5) an einem (ersten) Längsende (28a) des Innenrohres (4), vorzugsweise durch eine Stirnwand (16) des Innenrohrs (4), verschlossen ausgebildet ist,
mit einer Mehrzahl von auf einer Außenseite (8) einer Umfangswand (9) des Außenrohrs (2) angeordneten thermoelektrischen Modulen (10), die jeweils eine der Umfangswand (9) zugewandte Heißseite (1 1 ) und eine von der Umfangswand (9) abgewandte Kaltseite (12) aufweisen,
mit zumindest einem Kühlmittelrohr (13) zum Durchströmen mit einem Kühlmittel (K), welches an der Kaltseite (12) zumindest eines thermoelektrischen Moduls (10) angeordnet ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscher (1 ) eine Mehrzahl von Kühlmittelrohren (13) umfasst, die entlang einer Umfangsrichtung (U) des Außenrohrs (2) im Abstand zueinander angeordnet sind und sich entlang der Längsrichtung (L) erstrecken, so dass an der Kaltseite (12) eines jeden thermoelektrischen Moduls (10) ein Kühlmittelrohr (13) angeordnet ist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Innenrohr (4) an einem seiner beiden Längsenden (28a, 28b) offen ausgebildet ist, wobei an das offene (zweite) Längsende (28b) in Längsrichtung (L) ein Gaseinlass (27) zum Einleiten des Heißgases (H) in das Innenrohr (4) anschließt.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Außenrohr (2) in einem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung (L) des Außenrohrs (2) die Geometrie eines gleichmäßigen Vielecks (17) besitzt, wobei zwei benachbarte Ecken des Vielecks (17) mittels einer Rohrwand (19) verbunden sind,
wobei auf zumindest einer Rohrwand (19) außenseitig ein thermoelektrisches Modul (10) angeordnet ist.
5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Innenrohr (4) in dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung (L) eine runde, vorzugsweise eine kreisrunde, Geometrie besitzt.
6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Kühlmittelrohr (13) als Flachrohr ausgebildet ist.
7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscher (1 ) zumindest ein bandartig ausgebildetes Spannelement (14) umfasst, welches sich entlang der Umfangsrichtung (U) des Außenrohrs (2) umlaufend erstreckt und an den entlang der Umfangsrichtung (U) benachbarten thermoelektrischen Modulen (10) befestigt ist.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest zwei Spannelemente (14) vorhanden sind, die entlang der Längsrichtung (L) im Abstand zueinander angeordnet sind.
9. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscher (1 ) zumindest ein Lastverteilungselement (22) umfasst, welches radial entweder zwischen dem zumindest einen Spannelement (14) und dem zumindest einen Kühlmittelrohr (13) oder dem zumindest einem Kühlm ittel rohr (13) und dem zumindest einem thermoelektrischen Modul (10) angeordnet ist.
10. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Außenrohr (2) an einem Längsende (24b) offen und an dem anderen Längsende (24a) geschlossen ausgebildet ist.
1 1 . Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
flächige, dünnwandige Interface-Materialien (30a-c) zwischen einer oder mehrere der folgenden, mechanisch im Kontakt stehenden Komponenten- Paarungen vorgesehen sind:
- Interface-Material (30c) zwischen Außenrohr (2) und zumindest einem ther- moelektrischen Modul (10),
- Interface-Material (30b) zwischen zumindest einem thermoelektrisches Modul (10) und Lastverteilungselement (22) (Interface-Material 30b),
- Interface-Material (30a) zwischen Lastverteilungselement (22) und Kühlmittelrohr (13);
12. Wärmetauscher nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zumindest ein Interface-Material (30a-c) im Druckbereich 1 bar bis 15 bar eine elastische Verformbarkeit in Dickenrichtung von 5% bis 50% aufweist.
13. Wärmetauscher nach Anspruch 1 1 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zumindest ein Interface-Material (30a, 30b, 30c) eine thermische Leitfähigkeit in Dickenrichtung größer 1 .0 W/m-K aufweist.
14. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das geschlossene (erste) Längsende (28a), insbesondere die Stirnwand (16), des Innenrohrs (4) mit einer Vorrichtung versehen ist, welche eine vollständige oder teilweise Umleitung des Heißgases (H) direkt zu dem Auslass des Wärmetauschers (1 ) ermöglicht, ohne dass dieses umgeleitete Heißgas (H) die darin gespeicherte Wärme an das mindestens eine thermoelektrische Modul (10) abgeben kann.
15. Wärmetauscher nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung einen Verschlussmechanismus (36) umfasst, welcher durch eine außerhalb des Außenrohrs (2) angeordnete Steuerungs- /Regelungseinrichtung gesteuert wird.
16. Wärmetauscher nach Anspruch 14,
die Vorrichtung eine Verschlussmechanismus (36) umfasst, welcher sich eigenständig durch autark im Wärmetauscher (1 ) stattfindende thermophysika- lische Prozesse ohne Zuführung externer Steuersignale regelt.
17. Kraftfahrzeug,
mit einer Brennkraftmaschine, die eine Abgasanlage umfasst,
mit einem mit der Abgasanlage zusammenwirkenden Wärmetauscher (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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