in elektrische Energie

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, mit zumindest einem thermoelektri- schen Modul, das eine Außenfläche mit einer für einen Kontakt mit einer Wärmequelle vorgesehenen Warmseite und einer für einen Kontakt mit einer Wärmesenke vorgesehenen Kaltseite aufweist, wobei die Warmseite des thermoelektrischen Moduls in wärmeleitender Verbindung mit einer Wärmequelle, insbesondere einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors, steht, und mit einem Kühlkanal, der von einem Kühlfluid durchströmbar ist und der mit der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls in wärmelei- tender Verbindung steht.

Derartige Vorrichtungen werden auch als "thermoelektrische Generatoren" (TEG) bezeichnet und finden bei verschiedenen Arten der Nutzung von Abwärme Verwendung. Beispielsweise können thermoelektrische Genera- toren zur Abgaswärmenutzung bei Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, indem ein Teil der thermischen Energie des heißen Abgasstroms in elektrische Energie gewandelt und dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs zugeführt wird, um so letztlich Kraftstoff zu sparen. Entscheidend für eine möglichst große Ausbeute an elektrischer Energie ist neben dem Wir- kungsgrad des thermoelektrischen Moduls vor allem ein möglichst großer Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke. Der Wirkungsgrad von gebräuchlichen thermoelektrischen Generatoren ist jedoch relativ gering, sodass das Bedürfnis besteht, die Ausbeute an elektrischer Energie bei Vorrichtungen der genannten Art zu erhöhen. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß weist der Kühlkanal mindestens eine zur Kaltseite des thermoelektrischen Moduls weisende Öffnung auf und ist um die Öffnung fluiddicht gegenüber der Warmseite des thermoelektrischen Moduls abgedichtet. Es wird also nicht wie auf dem Fachgebiet üblich ein funktionsfähiger fluiddicht abgeschlossener Kühlkanal an dem thermoelektrischen Modul angebracht, sondern die Abdichtung ergibt sich erst durch den Befestigungsvorgang, das heißt eine äußere Begrenzung des thermo- elektrischen Moduls wird direkt zur Begrenzung des Kühlkanals eingesetzt. Auf diese Weise kann der Wärmeübergang von der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls in das Kühlfluid verbessert werden, da die normalerweise vorliegende Kühlkanalwand zumindest im Bereich der Öffnung als zusätzlicher Wärmeübergangswiderstand wegfällt. Die Erfindung ermöglicht somit eine verbesserte Wärmeabfuhr über das strömende Kühlfluid und daher einen höheren Gesamtwirkungsgrad des thermoelektrischen Generators.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.

Vorzugsweise ist der Kühlkanal in Richtung der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls gesehen im Wesentlichen vollständig offen. Somit steht die Kaltseite des thermoelektrischen Moduls - abgesehen von etwai- gen Befestigungsabschnitten - vollflächig und unmittelbar mit dem durch den Kühlkanal strömenden Kühlmedium in Kontakt, wodurch sich ein besonders effektiver Wärmeübergang ergibt.

An der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls kann eine sich zumindest bereichsweise über die Öffnung des Kühlkanals erstreckende Oberflächenstruktur vorgesehen sein, welche insbesondere Noppen und/ oder Sicken umfasst. Hierdurch kann die Effektivität des Wärmeübergangs von der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls in das Kühlfluid erhöht werden. Vorzugsweise erstreckt sich die Oberflächenstruktur über die gesam- te Öffnung, also über den Bereich, an welchem ein direkter Kontakt zwischen dem strömenden Kühlfluid und dem thermoelektrischen Modul stattfindet. Erhebungen oder Vorsprünge der Oberflächenstruktur können auch durch die Öffnung in den Kühlkanal hineinragen. Der Kühlkanal kann die Kaltseite des thermoelektrischen Moduls im Wesentlichen vollflächig bedecken, um die Kühlwirkung zu optimieren.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind in dem Kühlkanal quer zu der Kaltseite verlaufende Strömungsleitwände angeordnet. Die Strö- mungsleitwände können nach dem Anbringen des Kühlkanals an dem thermoelektrischen Modul fluiddicht mit der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls in Kontakt stehen . Durch die Strömungsleitwände kann während des Betriebs das Kühlfluid entlang einer vorgegebenen Strecke über die Kaltseite des thermoelektrischen Moduls geführt werden. Die Befestigung des Kühlkanals an dem thermoelektrischen Modul kann kraftschlüssig oder stoffschlüssig erfolgen. Bevorzugt ist der Kühlkanal in einem randnahen Bereich des thermoelektrischen Moduls kraftschlüssig an diesem angebracht. Insbesondere können die Strömungsleitwände einen mäanderförmigen Strömungspfad über die Kaltseite des thermoelektrischen Moduls definieren. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann das Kühlfluid während des Durchströmens des Kühlkanals eine besonders große Wärmemenge von der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls aufnehmen.

Alternativ können die Strömungsleitwände auch derart ausgebildet sein, dass ein durch den Kühlkanal strömendes Fluid zu einer chaotischen Strömung angeregt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Strömungsleitwände kraftschlüssig oder stoffschlüssig an dem thermoelektrischen Modul und/ oder dem Kühlkanal angebracht. Auf diese Weise können Leckage Strömungen vermieden werden und es ergibt sich eine gute Führung des Kühlmediums über die Kaltseite des thermoelektrischen Moduls.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner mehrere nebeneinander angeordnete thermoelektrische Module umfassen, an denen jeweils Kühl- kanäle angebracht sind. Vorzugsweise kommen mehrere gleichartige thermoelektrische Module sowie gleichartige Kühlkanäle zum Einsatz. Die Vorrichtung kann somit auf einfache Weise an unterschiedliche Anwendungen, insbesondere an unterschiedlich große und verschieden geformte Abgaskanäle, angepasst werden.

Die Kühlkanäle der mehreren thermoelektrischen Module können strömungstechnisch in Reihe geschaltet sein. Alternativ können die Kühlkanäle der mehreren thermoelektrischen Module strömungstechnisch parallel geschaltet sein, wobei Mittel zur Aufteilung eines gemeinsamen Kühl- fluidzufuhrstroms in mehrere Einzel-Kühlfluidströme zum Speisen der Kühlkanäle vorgesehen sind. Als Mittel zur Aufteilung kann beispielsweise eine Verteilerleitung oder ein Verteilerrohr eingesetzt werden. Durch eine Parallelschaltung mehrerer Kühlkanäle kann verhindert werden, dass sich entlang der Abgasströmungsstrecke ein unerwünscht großer Temperatur- gradient von der Eintrittsseite zur Austrittsseite ausbildet.

Der Kühlkanal kann fluiddicht an einem, insbesondere wannen- oder halbschalenartigen, Gehäuse für das thermoelektrische Modul angebracht sein. Das Gehäuse schützt das thermoelektrische Modul vor Beschädi- gungen und kann gleichzeitig zu dessen Befestigung am Abgaskanal dienen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Nutzung von Abgaswärme bei einem Verbrennungsmotor, wobei zumindest eine Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie wie vorstehend beschrieben an einen Abgaskanal des Verbrennungsmotors angebracht ist und wobei ein elektrischer Ausgangsanschluss des thermoelektrischen Moduls mit einem dem Verbrennungsmotor zugeordneten elektrischen Energiespeicher in Verbindung steht. Bei dem elektrischen Energiespei- eher kann es sich beispielsweise um die Hauptbatterie eines Kraftfahrzeugs handeln. Durch das Einspeisen von elektrischer Energie in die Hauptbatterie des Kraftfahrzeugs kann die Lichtmaschine entlastet werden, sodass sich insgesamt eine Kraftstoffersparnis beim Betrieb des Kraftfahrzeugs ergibt.

Ferner betrifft die Erfindung eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einer Vorrichtung zur Nutzung von Abgaswärme wie vorstehend beschrieben. Es können mehrere nebeneinander angeordnete thermoelektrische Module mit jeweiligen Kühlkanälen an einer Komponente der Abgasanlage angebracht sein, wobei sich eine gemeinsame Kühlfluid-Zuflussleitung und eine gemeinsame Kühlfluid-Abflussleitung parallel zur Strömungsrichtung des Abgases erstrecken. Hierdurch ergibt sich einerseits eine einfache Konstruktion, da alle thermoelektrischen Module und somit alle Kühlkanäle durch eine einzige gemeinsame Leitung gespeist werden. Andererseits ist eine effektive Kühlung bezogen auf die Oberfläche der Abgasanlagenkomponente sichergestellt, da alle Einzelmodule separat durchströmt werden und somit unerwünscht große Temperaturgradienten vermieden werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens zwei thermoelektrische Module mit jeweiligen Kühlkanälen an entgegenge- setzten Seiten einer Komponente der Abgasanlage angebracht. Beispielsweise kann ein abgeflachter Abschnitt eines Abgaskanals sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite mit einer Anordnung von thermoelektrischen Modulen versehen sein. Hierdurch kann der Wärmeübergang von dem Abgas zu den Warmseiten der thermoelektrischen Module weiter verbessert werden.

Eine erfindungsgemäße Abgasanlage kann auch Mittel zum Verzweigen eines ersten Abgaskanals der Abgasanlage in zwei parallele Teilkanäle und zum Zusammenführen der Teilkanäle an deren stromabwärtigem Ende zu einem zweiten Abgaskanal umfassen, wobei an beiden Teilkanälen wenigstens ein thermoelektrisches Modul angebracht ist und wenigstens ein weiteres thermoelektrisches Modul zwischen den beiden Teilkanälen angeordnet ist. Vorzugsweise ist jedem der parallelen Teilkanäle eine eigene Kühlfluid-Zuflussleitung und eine eigene Kühlfluid-Abflussleitung zuge- ordnet. Die Wärmeübertragung von dem Abgas in die thermoelektrischen Module kann auf diese Weise weiter optimiert werden.

Vorzugsweise ist der Kühlkanal an einen Kühlkreislauf des Verbren- nungsmotors angeschlossen. Somit wird auf vorteilhafte Weise das ohnehin für den Motorbetrieb benötigte Kühlfluid genutzt, um mittels Abgaswärmenutzung Kraftstoff einzusparen.

Die Abgasanlage kann weiterhin wenigstens eine Schalldämpfungseinrich- tung aufweisen, welche unter Berücksichtigung der Schalldämpfungsleistung des thermoelektrischen Moduls ausgestaltet ist. Insbesondere können eine oder mehrere Schalldämpfungseinrichtungen in einem Schalldämpfergehäuse untergebracht sein, welches an einer beliebigen Stelle der Abgasanlage in diese integriert ist. Aufgrund der schalldämpfenden Wir- kung des thermoelektrischen Elements ist es möglich, die Schalldämpfungseinrichtungen im Schalldämpfergehäuse kleiner zu dimensionieren und/ oder in ihrer Anzahl zu reduzieren oder auf zusätzliche Schalldämpfungseinrichtungen vollständig zu verzichten. Dadurch dass dem Abgas durch das thermoelektrische Modul Wärmeenergie entzogen wird, ergibt sich nämlich nicht nur eine Kühlung des Abgases, sondern auch eine Verringerung der Schallemission.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine perspektivische, aufgeschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, welche an einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors ange- bracht ist. Fig. 2 zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 1 in einer Ansicht von oben. Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung einer Komponente einer Abgasanlage, an welcher mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie angebracht sind. Gemäß Fig. 1 und 2 dient ein Abgaskanal 11 dem Führen eines heißen Abgases von einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor entlang einer Strömungsrichtung S in die Atmosphäre. Der Abgaskanal 1 1 weist einen rechteckigen, abgeflachten Querschnitt auf und ist in mehrere Unterkanäle 12 aufgeteilt. An einer stromeintrittsseitigen Stirnseite des Abgaskanals 1 1 ist ein Flansch 13 vorgesehen, welcher der Anbindung des Abgaskanals 1 1 an eine vorhergehende Komponente des zugehörigen Abgasstrangs dient. Ebenso ist an der stromaustrittsseitigen Stirnseite des Abgaskanals 1 1 ein Flansch vorgesehen, welcher in Fig. 1 jedoch nicht dargestellt ist. An der Oberseite 15 und an der Unterseite 17 des Abgaskanals 1 1 sind jeweilige Anordnungen von thermoelektrischen Modulen 19 vorgesehen, um die thermische Energie des strömenden Abgases in elektrische Energie zu wandeln. Die thermoelektrischen Module 19 sind jeweils in einem halbschalenartigen oder hutartigen Gehäuse 21 aus Metall untergebracht, welches mittels Befestigungslaschen 23 an dem Abgaskanal 11 ange- bracht ist. Zur gezielten Erzeugung von Turbulenzen in dem strömenden Abgas sind in dem Abgaskanal 1 1 zungenartige Verwirbelungselemente 14 vorgesehen.

Jedes thermoelektrische Modul 19 ist derart ausgerichtet, dass die für einen Kontakt mit einer Wärmequelle vorgesehene Warmseite 20 zum Abgaskanal 1 1 weist. An der entgegengesetzten Kaltseite 22 eines jeden thermoelektrischen Moduls 19 ist ein Kühlkanal 25 vorgesehen, der von einem Kühlfluid, insbesondere Wasser, durchströmbar ist. Jeder Kühlkanal 25 umfasst eine Trägerstruktur aus mehreren Strömungsleitwänden 27 und bedeckt die Kaltseite 22 des zugehörigen thermoelektrischen Moduls 19 im Wesentlichen vollflächig. Die Strömungsleitwände 27 verlaufen dabei vorzugsweise rechtwinklig zu der Kaltseite 22 des thermoelektrischen Moduls 19 und definieren einen mäanderförmigen Strömungspfad. An einer von dem Abgaskanal 11 weg weisenden Flachseite des Kühlka- nals 25 sorgt ein Abdeckelement 29 für einen fluiddichten Abschluss des Kühlkanals 25 gegenüber der Umgebung. An der entgegengesetzten Flachseite des Kühlkanals 25 ist jedoch kein solches Abdeckelement vorgesehen, das heißt in Richtung der Kaltseite 22 des thermoelektrischen Moduls 19 gesehen ist jeder Kühlkanal 25 im Wesentlichen vollständig offen. Die Strömungsleitwände 27 sind stoffschlüssig mit dem Gehäuse 21 verbunden, sodass der Kühlkanal 25 trotz einer offenen Seite gegenüber der Warmseite 20 des thermoelektrischen Moduls 19 abgedichtet ist.

Die Strömungsleitwände 27 können aus Blech, spanend bearbeitetem Vollmaterial wie Kunststoff oder auf ähnliche Weise gefertigt sein. Im dargestellten Beispiel bilden die Strömungsleitwände 27 wie erwähnt selbst die Trägerstruktur des Kühlkanals 25. Alternativ könnte für jeden Kühlkanal 25 auch eine rahmenartige Basisstruktur vorgesehen sein, an welcher die Strömungsleitwände 27 angebracht sind.

Während des Betriebs der Vorrichtung wird jedem Kühlkanal 25 über einen Kühlwassereinlass 31 (Fig. 2) strömendes Kühlwasser zugeführt, welches nachfolgend mittels der Strömungsleitwände 27 in einer mäan- dernden Strömung über die Kaltseite 22 des thermoelektrischen Elements 19 geführt wird, bevor es an einem Kühlwasserauslass 33 wieder abgeführt wird.

Wie insbesondere aus der Gesamtdarstellung gemäß Fig. 3 hervorgeht, kann zur Abgaswärmenutzung bei einem Verbrennungsmotor ein Abgasstrangabschnitt einen Eintrittstrichter 35, einen Austrittstrichter 37 sowie zwei dazwischen verlaufende parallele Teilkanäle I Ia, Hb umfassen. Der ankommende Abgasstrom wird mittels des Eintrittstrichters 35 verzweigt und auf die beiden Teilkanäle I Ia, Hb aufgeteilt. Nach Durchströmen der parallelen Teilkanäle I Ia, I Ib werden die Abgasteilströme mittels des Austrittstrichters 37 wieder zu einem Gesamtstrom vereinigt. Jeder der parallelen Abgaskanäle I Ia, I Ib weist sowohl an seiner Oberseite 15 als auch an seiner Unterseite 17 eine Anordnung aus nebeneinanderliegenden thermoelektrischen Modulen 19 mit jeweiligen Kühlkanälen 25 auf. Zwischen den beiden Teilkanälen I Ia, I Ib befinden sich somit zwei Anordnungen von entlang der Strömungsrichtung S hintereinander positionierten thermoelektrischen Modulen 19. Es sind also beidseits jedes Teilkanals I Ia, I Ib thermoelektrische Module 19 vorgesehen, sodass im Vergleich mit einem einzelnen unverzweigten Abgaskanal 11 eine größere Fläche zur thermoelektrischen Energiewandlung beiträgt.

Jedem der Teilkanäle I Ia, 1 lb ist dabei eine gemeinsame Kühlfluid- Zuflussleitung 41 sowie eine gemeinsame Kühlfluid-Abflussleitung 43 zugeordnet, welche sich jeweils parallel zur Strömungsrichtung S des Abgases entlang der Teilkanäle 1 la, 1 lb erstrecken. Jeder Kühlkanal 25 ist mittels einer Einzelzuflussleitung 45 und einer Einzelabflussleitung 47 an die jeweils zugehörige gemeinsame Kühlwasser- Zuflussleitung 41 und an die jeweils zugehörige gemeinsame Kühlwasser-Abflussleitung 43 angeschlossen. Auf diese Weise ergibt sich eine Parallelschaltung der einzel- nen Kühlkanäle 25 jeder einer Flachseite eines Teilkanals I Ia, I Ib zuge- hörigen Anordnung von thermoelektrischen Modulen 19. Durch diese Parallelschaltung wird die Ausbildung eines unerwünscht hohen Temperaturgradienten entlang der Strömungsrichtung S des Abgases verhindert. Die gemeinsame Kühlwasser-Zuflussleitung 41 und die gemeinsame Kühlwasser-Abflussleitung 43 jeder Anordnung von thermoelektrischen Modulen 19 sind an einen Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen.

Während des Betriebs des Verbrennungsmotors heizt das strömende Ab- gas die Warmseite 20 jedes thermoelektrischen Moduls 19 auf, wohingegen die Kaltseite 22 jedes thermoelektrischen Moduls 19 mittels des durch den Kühlkanal 25 strömenden Wassers gekühlt wird. Auf diese Weise kann elektrische Energie aus der thermischen Energie des Abgases gewonnen werden, welche zweckmäßigerweise dem Bordnetz des zugehöri- gen Kraftfahrzeugs zugeführt wird. Aufgrund der modularen Bauweise kann die Erfindung an viele unterschiedliche Varianten von Abgassträngen angepasst werden. Das Prinzip der parallelen Teilkanäle sowie der beidseitigen Anordnung von Modulen in Verbindung mit der strömungstechnischen Parallelschaltung der einzelnen Module ermöglicht eine be- sonders effektive thermische Anbindung der thermoelektrischen Module 19 an den Abgaskanal 11 sowie an den Kühlkanal 25.

Aufgrund des direkten Kontakts zwischen dem Kühlwasser in dem Kühlkanal 25 und der Kaltseite 22 des zugehörigen thermoelektrischen Moduls 19 ergibt sich ein besonders guter Wärmeübergang von dem thermoelektrischen Modul 19 zu der zugehörigen Wärmesenke, sodass die Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Bezugszeichenliste

11, I Ia, I Ib Abgaskanal

12 Unterkanal

13 Flansch

14 Verwirbelungselement

15 Oberseite

17 Unterseite

19 thermoelektrisches Modul

20 Warmseite

21 Gehäuse

22 Kaltseite

23 Befestigungslasche

25 Kühlkanal

27 Strömungsleitwand

29 Abdeckelement

31 Kühlwassereinlass

33 Kühlwas serauslas s

35 Eintrittstrichter

37 Austrittstrichter

41 Kühlwasser-Zuflussleitung

43 Kühlwasser-Abflussleitung

45 Einzelzuflussleitung

47 Einzelabflussleitung

S Strömungsrichtung