Verwendung von Halbleiterblockelementen zur Vorbeziehungsweise Erwärmung von Verbrennungsmotoren

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Halbleiterblockelementen zur Vor- beziehungsweise Erwärmung von Verbrennungsmotoren, insbesondere durch die Vor- beziehungsweise Erwärmung der sich in diesen Motoren befindlichen Flüssigkeiten.

Es ist bekannt, dass zur Einsparung von beispielsweise Dieselkraftstoff und mit dessen Verbrennung einher gehender Umweltbelastung, insbesondere bei verbrauchsintensiven Verbrennungsmotoren, welche vorwiegend zum Einsatz in LKW oder Landwirtschaftsmaschinen gelangen, viele Versuche durchgeführt wurden, mit dem Ziel, Dieselkraftstoff durch weniger belastende Kraftstoffe wie beispielsweise Pflanzenöle zu ersetzen.

Auch wurden umfangreiche Bestrebungen durchgeführt, die Umweltbelastung durch Verbrennungsmotoren überhaupt zu senken.

Eine besondere Belastung mit die Umwelt belastenden Gasen und anderen Verbrennungsrückständen ist regelmäßig bei kalten Verbrennungsmotoren festzustellen.

In der Phase bis zum Erreichen der Betriebstemperatur treten bei allen Verbrennungsmotoren unabhängig vom zu verbrennenden Kraftstoff erhöhte Belastungen auf.

Es ist bekannt, dass bei so genannten Hybridfahrzeugen eine Vorwärmung des Verbrennungsmotors mittels der in diesen Fahrzeugen zur Verfügung stehenden Elektroenergie erfolgt.

BESTäTIGUNGSKOPlt

Nachteilig ist es hierbei, dass sich die Motorenkonzepte dieser Fahrzeuge noch nicht am Markt durchgesetzt haben und bei weitem nicht von allen Fahrzeugherstellern angeboten werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung anzubieten, mittels welcher die erheblichen Umweltbelastungen durch Verbrennungsmotoren minimiert werden kann und welche bei herkömmlichen Motorkonzepten anwendbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung von bekannten Halbleiterblockelementen gelöst.

Diese bekannten Halbleiterblockelemente werden regelmäßig zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt.

Dabei wird das Halbleiterblockelement aus Thermoelementen gebildet, welche vorzugsweise so angeordnet sind, dass sie eine möglichst große anströmbare Oberfläche bilden.

Bekannte Thermoelemente haben die Eigenschaft, dass, wenn sie stromdurchflossen sind, sich thermoelektrische Effekte in ihnen überlagern. Dies sind der Seebeck- und der Peltiereffekt.

Wenn ein elektrischer Strom einen Zweileiterkreis durchfließt, wird je nach Stromrichtung an der einen Kontaktstelle Wärme erzeugt, wogegen an der anderen Kontaktstelle Wärme absorbiert wird. Hierbei wird vom Peltiereffekt gesprochen. Die dabei je Zeiteinheit erzeugte bzw. absorbierte Wärmemenge Q _P ist proportional zur elektrischen Stromstärke /. Dabei gilt

QP = π _lι2 */ ,

wobei πi _/2 als Peltierkoeffizient der Leiterkombination bezeichnet wird. Der Peltierkoeffizient ist positiv, wenn der Stromfluss von Leiter 1 nach Leiter 2 Wärmeentwicklung an der Kontaktstelle bewirkt.

Die Umkehrung des Peltiereffekts ist der Seebeckeffekt.

Werden in einem offenen Zweileiterkreis, bestehend aus den Leitern 1 und 2, die Kontaktstellen auf verschiedene Temperaturen T _w und T _κ gebracht, so wird an den freien Leiterenden eine elektrische Spannung Us erzeugt. Diese Thermospannung ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen. Dabei gilt

Us = αi _#2 (Tw und T _κ )

Der Proportionalitätsfaktor αi, ₂ wird als Thermokraft oder Seebeckkoeffizient der Leiterkombination bezeichnet. Definitionsgemäß ist ααi,2 1,2 positiv, wenn im geschlossenen Kreis der (konventionelle) Thermostrom an der kälteren Kontaktstelle vom Leiter 1 zum Leiter 2 fließt.

Abbildung 1 zeigt eine Variante eines Halbleiterblockelementes 1 mit einer Anordnung von Thermoelementen 2 im Verbund. Die Anordnung der Elemente 2 zueinander ist dabei lediglich beispielhaft dargestellt.

Die bekannten Halbleiterblockelemente werden bekanntermaßen in Abhängig der vorrangig zu lösenden Aufgabe entweder zur Temperaturerzeugung mit Peltierelementen oder aber zur Energieerzeugung mit Seebeckelementen ausgestattet.

Zur erfindungsgemäßen Vor- beziehungsweise Erwärmung von Motoren ist der Einsatz beider Elementearten denkbar.

Beide Elementearten sind sowohl zur Wärmeerzeugung als auch zur Energieerzeugung einsetzbar

Die vorrangig zur Wärmeerzeugung eingesetzten Peltierelemente weisen den Vorteil einer besseren Wärmeerzeugung auf, haben jedoch Nachteile bei „umgekehrter" Nutzung zur Energieerzeugung, gegenteilige Ergebnisse sind von den Seebeckelementen zu erwarten.

So kann eine Auswahl der Elemente erfolgen unter den Gesichtspunkten der schnelleren Erwärmung, hier wäre Peltierelementen der Vorzug zu geben, oder dem Gesichtspunkt der Nutzung der Elemente im Betrieb zur Energieerzeugung, hier sollten Seebeckelemente zum Einsatz kommen.

Da jedoch mittels der im Betrieb des Verbrennungsmotors erzeugten Temperaturen durch das erfindungsgemäß eingesetzte Halbleiterblockelement ausreichend elektrische Energie zur Versorgung des Bordnetzes erzeugt werden kann, ist auch eine entsprechende Kombination dieser Elemente denkbar.

Das erfindungsgemäß eingesetzte Halbleiterblockelement wird dabei so angeordnet, dass es von dem jeweiligen Medium, welches beispielsweise Motoröl, Kühlwasser, aber auch vorzuwärmender Kraftstoff sein kann, durchströmt wird und dass auf die den Halbleiterblock bildenden Thermoelemente elektrische Energie aufgegeben und dadurch Wärme erzeugt wird, welche an das das Halbleiterblockelement durchströmende Medium abgegeben wird.

Sind der Motor und die betreffenden Medien ausreichend erwärmt und haben ihre Betriebstemperatur erreicht, so kann durch entsprechende

Steuerung das Halbleiterblockelement zur Erzeugung von elektrischer

Energie genutzt werden und damit die Fahrzeugbatterie geladen werden beziehungsweise das Bordnetz versorgt werden.

Nachfolgend soll der Aufbau der Halbleiterblockelemente noch näher erläutert werden.

Die Stabilisierung der bekannten Halbleiterblockelemente 1 wird erreicht durch die Anwendung einer direkten Kontaktierung, welche vorzugsweise durch die Ausführung eines Innenvergusses der Thermoelemente 2 ermöglicht wird. Gleichzeitig wird dadurch eine elektrische Isolierung der Kontakte realisiert.

Abbildung 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform in Form einer möglichen Verbindung von Halbleiterblockelementen 1 zu einem Energieerzeugungssystem 5 im Schnitt.

Dieses Energieerzeugungssystem 5 wird von einer äußeren Hülle 6 umgeben, welche vorzugsweise von den temperaturführenden Medien durchströmt wird. Beispielhaft wird das Energieerzeugungssystem 5 in der dargestellten Variante gebildet aus innenliegenden gekoppelten Halbleiterblockelementen I ₁ . Diese bilden einen inneren Strömungsbereich Kl, welcher von einem niedrig- temperaturführenden Medium durchströmt wird. Ein mittlerer Strömungsbereich Hl wird von einem äußeren weiteren Ring gekoppelter Halbleiterblockelementen l _a begrenzt und wird von einem hoch- temperaturführenden Medium durchströmt. Zwischen der äußeren Hülle 6 und den Halbleiterblockelementen l _a strömt wiederum ein niedrig- temperaturführendes Medium K2.

Mittels dieser Anwendungsform 5 ist unter optimaler Raumnutzung eine optimale Ausnutzung der Thermoelemente 2 gegeben. Eine paarweise Erweiterung dieses Systems um weitere Strömungsbereiche K und H ist ohne weiteres möglich.

Weitere Ausgestaltungen der Halbleiterblockelemente beziehungsweise -syteme besteht darin, dass in den Strömungsbereichen (Kl, Hl, K2, H2 ...) Elemente angeordnet sind, welche geeignet sind, eine Umwandlung von laminarer Strömung in turbulente Strömung auszulösen.

Diese Ausgestaltung bewirkt den Vorteil, dass dadurch eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird, welche eine Optimierung des Wärmeübergangs in geschlossenen Systemen bei definiertem vorgegebenem Druck ermöglicht.

Abbildung 3 und 4 zeigen eine weitere Variante einer Ausgestaltung der Halbleiterblockelemente beziehungsweise -syteme, wobei Abbildung 3 einen Vertikalschnitt und Abbildung 4 einen Horizontalschnitt zeigen.

Diese hier vorgeschlagene Variante 5 wird von einer äußeren Hülle 6 umgeben, welche die Zuführung der Strömungsbereiche K und H aufnimmt beziehungsweise bildet. Beispielhaft wird das Energie- bzw. Wärmeerzeugungssystem 5 in der dargestellten Variante gebildet aus aufeinander liegenden gekoppelten Halbleiterblockelementen I ₁ . Diese bilden parallel abwechselnd angeordnete Strömungsbereiche K, welche von einem niedrig- temperaturführenden Medium durchströmt werden und Strömungsbereiche H, welche von einem hoch- temperaturführenden Medium durchströmt werden, so dass eine vorzugsweise einem Mäander ähnelnde Durchströmung stattfindet.

Der Aufbau dieser Art Blockelement ist dabei so ausgeführt, dass eine möglichst große Anzahl von Halbleiterelementen in verschiedenen Ebenen zusammengefasst ist.

Mittels dieser weiteren Anwendungsform ist unter optimaler

Raumnutzung ebenfalls eine optimale Ausnutzung der Thermoelemente 2 gegeben.

Eine ebenenweise Erweiterung dieses Systems um weitere Halbleiterblockelemente 1 und dementsprechende Strömungsbereiche K und H ist ohne weiteres möglich.