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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator
und spezieller einen thermoelektrischen Generator, um thermische
Energie eines Abgases einer Brennkraftmaschine in elektrische Energie
umzuwandeln.
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Die
Erzeugung von elektrischer Energie unter Verwendung eines thermoelektrischen
Generatorelements, welches thermische Energie in elektrische Energie
umwandelt, ist gemäß dem Stand
der Technik bekannt. Das thermoelektrische Generatorelement macht
Gebrauch von dem Seeback-Effekt, bei dem die Temperaturdifferenz
zwischen zwei Enden (einem Hochtemperaturabschnitt und einem Niedrigtemperaturabschnitt)
eines Metalls oder eines Halbleiterteiles eine Potenzialdifferenz
zwischen dem Hochtemperaturabschnitt und dem Niedrigtemperaturabschnitt
des Metalls oder des Halbleiterteiles hervorruft. Eine größere Temperaturdifferenz
erhöht
die elektrische Energie, die durch das thermoelektrische Generatorelement
erzeugt wird.
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1 zeigt ein Beispiel einer
Konstruktion eines thermoelektrischen Generatorelements. Wie in 1 gezeigt ist, enthält das thermoelektrische
Generatorelement n-leitende
und p-leitende Halbleiter. Jeder n-leitende Halbleiter besitzt einen
Hochtemperaturabschnitt, der als ein positiver Pol funktioniert, und
einen Niedrigtemperaturabschnitt, der als negativer Pol funktioniert.
Um eine große
Menge an elektrischer Energie zu erzeugen, sind die n-leitenden und
p-leitenden Halbleiter abwechselnd in Reihe geschaltet, um einen
Elektrodenmodul zu bilden.
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Die
offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2002-325470
beschreibt ein Beispiel einer Anwendung für solch ein thermoelektrisches
Generatorelement. Spezifischer ausgedrückt, ist ein Rahmen in einem
Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet. Eine Seite eines
thermoelektrischen Generatorelements kontaktiert die Umfangsfläche des
Rahmens. Die gegenüber
liegende Seite des thermoelektrischen Generatorelements kontaktiert
einen Kühlmechanismus.
Durch Anordnen des thermoelektrischen Generatorelements in dieser Weise,
kann thermische Energie aus dem Abgas in elektrische Energie umgewandelt
werden.
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Ein
Klebemittel fixiert wenigstens entweder den Rahmen an dem thermoelektrischen
Generatorelement oder das thermoelektrische Generatorelement an
dem Kühlmechanismus.
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Ein
fixiertes Teil (Rahmen oder Kühlmechanismus),
an welchem das thermoelektrische Generatorelement angebracht ist,
kann einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der sich
von demjenigen des thermoelektrischen Generatorelements unterscheidet.
Wenn in diesem Fall die Temperatur des fixierten oder ortsfesten
Teiles und des thermoelektrischen Generatorelements geändert wird,
unterscheidet sich der Verformungsbetrag des fixierten oder ortsfesten
Teiles von demjenigen des thermoelektrischen Generatorelements.
Daher wirkt eine thermische Spannung auf das thermoelektrische Generatorelement.
Dies kann eine Beschädigung
oder Zerstörung
an dem thermoelektrischen Generatorelement bewirken.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen thermoelektrischen
Generator für
eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welcher die Möglichkeit reduziert,
dass ein thermoelektrisches Generatorelement beschädigt wird.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen thermoelektrischen
Generator für
eine Brennkraftmaschine, die an einen Abgaskanal angeschlossen ist.
Der Gene rator enthält
ein heißes
Teil, welches in dem Abgaskanal angeordnet ist. Ein kaltes Teil
ist außerhalb
des heißen
Teiles angeordnet. Ein thermoelektrisches Generatorelement, welches zwischen
dem heißen
und dem kalten Teil in einer Weise angeordnet ist, so dass es relativ
zu sowohl dem heißen
Teil als auch dem kalten Teil bewegbar ist, wandelt Wärmeenergie
aus dem Abgas in dem Abgaskanal in elektrische Energie um.
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Andere
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich klarer
aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen,
die anhand eines Beispiels die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung kann in Verbindung mit Zielen und Vorteilen derselben
am besten unter Hinweis auf die folgende Beschreibung von momentan
bevorzugten Ausführungsformen
unter Hinweis auf die beigefügten
Zeichnungen verstanden werden, in welchen zeigen:
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1 ein
schematisches Diagramm, welches die Konstruktion eines thermoelektrischen
Generatorelements zeigt;
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2 ein
schematisches Diagramm, welches ein Abgassystem eines Fahrzeugs
wiedergibt, in welchem ein thermoelektrischer Generator gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung inkorporiert ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht, die den thermoelektrischen Generator wiedergibt;
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4 eine
Teil-Schnittansicht, die den thermoelektrischen Generator von 2 darstellt;
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5 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie 5-5 in 4;
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6 eine
schematische Querschnittsansicht, die einen thermoelektrischen Generator
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung
des Abgases darstellt;
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7 eine
schematische Querschnittsansicht, die einen thermoelektrischen Generator
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung
des Abgases veranschaulicht;
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8 eine
schematische Querschnittsansicht, die einen thermoelektrischen Generator
gemäß einer
noch anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung
des Abgases wiedergibt; und
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9 ein
schematisches Diagramm, welches den Ort eines thermoelektrischen
Generators gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen ähnliche
Elemente, und zwar durchgehend.
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Ein
thermoelektrischer Generator 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun unter Hinweis auf die 2 bis 5 erläutert.
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2 zeigt
schematisch ein Abgassystem 12 eines Fahrzeugs 1,
in welchem der thermoelektrische Generator 20 inkorporiert
ist.
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Wie
in 2 gezeigt ist, enthält das Abgassystem 12 einen
Abgaskanal 17. Von der stromaufwärtigen Seite in Bezug auf die
Strömung
des Abgases enthält
der Abgas kanal 17 einen Abgasverteiler 13, den
thermoelektrischen Generator 20 und einen Auspufftopf 16.
In dem Abgassystem 12 strömt das Abgas, welches von einer
Brennkraftmaschine 11 ausgestoßen wird, durch den Abgasverteiler 13,
der thermoelektrischen Generator 20 und den Auspufftopf 16,
um dann in die Atmosphäre
ausgetragen zu werden.
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Der
thermoelektrische Generator 20 wird nun unter Hinweis auf
die 3 bis 5 erläutert.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht, die den thermoelektrischen Generator 20 zeigt. 4 ist eine
Teil-Querschnittsansicht, die den thermoelektrischen Generator 20 darstellt.
Wie in 4 gezeigt ist, enthält der thermoelektrische Generator 20 einen Abgaskatalysator 30 und
einen thermoelektrischen Generatorstapel 40.
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Der
Abgaskatalysator 30 enthält einen zylinderförmigen Katalysatorträger 31 und
ein Gehäuse 32,
welches den Katalysatorträger 31 aufnimmt.
Der Katalysatorträger 31 trägt einen
Katalysator. Wenn der Katalysator eine vorbestimmte Aktivierungstemperatur
erreicht, reinigt der Katalysator Abgaskomponenten, wie beispielsweise
Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffoxide (NOx).
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Das
Gehäuse 32 besteht
aus rostfreiem Stahl, welches ein Material ist, welches eine relativ hohe
thermische Leitfähigkeit
besitzt und auch eine relativ hochwertige Antikorrosionseigenschaft
aufweist. Bei dieser Ausführungsform
wird austenit-rostfreier Stahl (z. B. SUS 303 oder SUS 304) mit
einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet, der relativ
höher ist
als bei anderen rostfreien Stählen,
um das Gehäuse 32 zu
bilden. Das Gehäuse 32 besitzt
offene Enden. Ein stromaufwärtiger
Flansch 33 ist mit dem Abgasverteiler 13 verbunden
und ist an einem Ende des Gehäuses 32 angeordnet.
Ein stromabwärtiger
Flansch 34 ist mit dem Abgaskanal 17 verbunden
und ist an dem anderen Ende des Gehäuses 32 angeordnet.
Auf diese Weise bildet der Abgaskanal 17 einen Teil des
Gehäuses 32 und
wenigstens einen Teil eines heißen
Teiles. Das Gehäuse 32 ist über einen
Presssitz in einer Hülse 35 aufgenommen.
Die Hülse 35 ist
aus einem Material mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit
und einer relativ hochwertigen Antikorrosionseigenschaft hergestellt
(z. B. rostfreiem Stahl, einer Aluminiumlegierung oder Kupfer).
Somit überträgt die Hülse 35 leicht Wärme auf
das Gehäuse 32.
Die Hülse 35 bildet
einen Teil des heißen
Teiles.
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Der
thermoelektrische Generatorstapel 40 enthält eine
Vielzahl an thermoelektrischen Generatorelementen 41 und
einen Kühlmechanismus 42. Jedes
thermoelektrische Generatorelement 41 besitzt die gleiche
Konstruktion oder Struktur wie diejenige, die in 1 gezeigt
ist. Bei dieser Ausführungsform
besitzt jedes thermoelektrische Generatorelement 41 zwei
Seiten, auf welchen Elektroden angeordnet sind. Die Elektroden sind
mit einem amorphen Kohlenstofffilm 41a (DLC-Film) beschichtet.
Der Reibungskoeffizient des amorphen Kohlenstofffilms 41a ist
relativ klein. Ferner besitzt der amorphe Kohlenstofffilm 41a eine
hohe elektrische Isolationsfähigkeit, thermische
Leitfähigkeit,
Wärmewiderstand
und auch Abriebwiderstandseigenschaften.
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Die
thermoelektrischen Generatorelemente 41 sind an der Umfangsfläche der
Hülse 35 in
der axialen Richtung des Abgaskatalysators 30 angeordnet, das
heißt
in der Strömungsrichtung
des Abgases. Die Oberfläche,
welche die periphere Oberfläche
der Hülse 35 in
jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 kontaktiert
(im Folgenden also Oberfläche
H bezeichnet) funktioniert als eine Hochtemperaturfläche.
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Der
Kühlmechanismus 42 ist
auf der Oberfläche
von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 angeordnet,
welches gegenüber
der Oberfläche
H liegt. Ein Kühlmittel,
welches als eine Kühlmedium
wirkt, strömt
durch den Kühlmechanismus 42.
Von der stromaufwärtigen
Seite in Bezug auf die Strömungsrichtung
des Kühlmittels
enthält
der Kühlmechanismus 42 ein
Einlassrohr 43, einen ersten Sammelabschnitt 44,
Verteilerrohre 45, Kühlabschnitte 46,
einen zweiten Sammelabschnitt 47 und ein Austragrohr 48.
Der Kühlmechanismus 42 funktioniert
als Kühlteil.
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Der
erste Sammelabschnitt 44 und der zweite Sammelabschnitt 47 bestehen
aus ringförmigen Rohren,
die außerhalb
der Umfangsfläche
des Gehäuses 32 angeordnet sind.
Der erste Sammelabschnitt 44 ist stromaufwärts von
dem zweiten Sammelabschnitt 47 in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung
angeordnet. Die Verteilerrohre 45, die sich in der axialen
Richtung des Abgaskatalysators 30 erstrecken, verbinden
den ersten Sammelabschnitt 44 und den zweiten Sammelabschnitt 47.
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Jedes
Verteilerrohr 45 enthält
Kühlabschnitte 46,
welche die zugeordneten thermoelektrischen Generatorelemente 41 kühlen. Die
Oberfläche
von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41, welche
den zugeordneten Kühlabschnitt 46 kontaktiert (im
Folgenden als Oberfläche
C bezeichnet) funktioniert als Niedrigtemperaturfläche. Das
Kühlmittel
wird in jeden Kühlabschnitt 46 über das
zugeordnete Verteilerrohr 45 angesaugt.
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Das
Einlassrohr 43 ist mit einem oberen Teil des ersten Sammelabschnitts 44 verbunden.
Es wird Kühlmittel
in den ersten Sammelabschnitt 44 über das Einlassrohr 43 eingesaugt.
Das Austragrohr 48 ist mit einem unteren Teil des zweiten
Sammelabschnitts 47 auf der stromabwärtigen Seite in Bezug auf die
Strömung
des Abgases verbunden. Es wird Kühlmittel
in das Kühlsystem
von dem zweiten Sammelabschnitt 47 über das Austragrohr 48 ausgetragen.
Bei dieser Anordnung strömt
das Kühlmittel nach
unten in den Kühlmechanismus 42 und
in der Richtung der Abgasströmung.
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5 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5-5 in 4.
Wie in 5 gezeigt ist, ist der Katalysatorträger 41 in
das Gehäuse 32 eingeführt. Das
Gehäuse 32 ist
in die Hülse 35 eingesetzt,
die oktagonal ausgebildet ist. Der Träger 31 wird durch Tiefziehen
hergestellt und besteht aus Metall. Spezifischer ausgedrückt, besitzt
der Träger 31 eine
honigwabenartige Struktur. Poren erstrecken sich durch den Träger 31 in
der axialen Richtung. Die Wandflächen,
welche die Poren definieren, sind aus gesintertem Metall hergestellt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
wird eine Legierung verwendet, die durch Hinzufügen von Chrom oder Aluminium
zu Stahl hergestellt wird. Es kann jedoch irgendein Metall verwendet
werden, solange dieses eine verbesserte Wärmewiderstandseigenschaft besitzt.
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Die
Hülse 35 besitzt
eine Umfangsfläche
mit acht flachen Ebenen, die sich in der axialen Richtung des Gehäuses 32 erstrecken.
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Die
thermoelektrischen Generatorelemente 41 sind in Kontakt
mit der Umfangsfläche
der Hülse 35 angeordnet.
Bei dieser Ausführungsform
sind vier thermoelektrische Generatorelemente 41 auf jeder der
acht flachen Ebenen bzw. Flächen
der Hülse 35 in
der axialen Richtung der Hülse 35 angeordnet.
Es sind somit eine Gesamtzahl von zweiunddreißig (8 × 4) thermoelektrischen Generatorelementen 41 an
der Umfangsfläche
der Hülse 35 angeordnet.
Ferner sind die thermoelektrischen Generatorelemente 41 in
gleichen Winkelintervallen (45°)
angeordnet.
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In
jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 kontaktiert
die Oberfläche
C den zugeordneten Kühlabschnitt 46.
Ferner sind gemäß der Darstellung
in 5 eine Vielzahl von Wärmeabstrahlrippen 49 an
jedem Kühlabschnitt 46 ausgebildet.
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Eine
Belleville-Feder 50 und eine Unterlegscheibe 41 sind
an der Fläche
von jedem Kühlabschnitt 46 gegenüber der
Oberfläche
angeordnet, die das zugeordnete thermoelektrische Generatorelement 41 kontaktiert.
Ein Band 52 fixiert jeden Kühlabschnitt 46 mit
dem zugeordneten thermoelektrischen Generatorelement 41 mit
Hilfe der entsprechenden Belleville-Feder 50 und der Unterlegscheibe 51. Demzufolge
befestigt das Band 52, welches als Befestigungsteil fungiert,
integral den Kühlabschnitt 46, die
zugeordneten thermoelektrischen Generatorelemente 41, die
Hülse 35 und
das Gehäuse 32.
Jedes thermoelektrische Generatorelement 41 wird in einem
Zustand gehalten, in welchem es zwischen dem Kühlabschnitt 46 und
der Hülse 35 gepresst
wird. Auf diese Weise wird jedes thermoelektrische Generatorelement 41 in
einer bewegbaren Weise zwischen dem zugeordneten Kühlabschnitt 46 des
Kühlmechanismus 42 und
der Hülse 35 gehalten,
die einen Teil des heißen
Teiles bildet. Bei dieser Ausführungsform ist
das Band 52 aus Metall hergestellt. Jedoch kann das Band 52 aus
irgendwelchen anderen Materialien hergestellt sein. Ferner kann
als elastisches Teil ein Gummiteil anstelle der Belleville-Feder 50 verwendet werden.
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Bei
dem thermoelektrischen Generator 20 wird jedes thermoelektrische
Generatorelement 41 in einem Zustand gehalten, in welchem
es zwischen der Hülse 35 und
dem Kühlabschnitt 46 eingepresst
ist. Mit anderen Worten wird das thermoelektrische Generatorelement 41 in
einem Zustand gehalten, in welchem es vollständig an der Hülse 35 oder
dem Kühlabschnitt 46 fixiert
ist. Demzufolge ist das thermoelektrische Generatorelement 41 relativ
zu sowohl der Hülse 35 als
auch dem Kühlabschnitt 46 bewegbar. Wenn
der Verformungsbetrag der thermoelektrischen Generatorelemente 41 sich
von demjenigen der Hülse 35 unterscheidet,
und zwar auf Grund der Differenz zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
bewegen sich die thermoelektrischen Generatorelemente 41 und
die Hülse 35 relativ
zueinander. Dies reduziert dann die Spannung, die auf die thermoelektrischen
Generatorelemente 41 wirkt. Als ein Ergebnis wird die thermische
Spannung, die durch die Differenz in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und
der Hülse 35 erzeugt wird
und die auf die Kühlabschnitte 46 wirkt,
reduziert. Da auf diese Weise die thermoelektrischen Generatorelemente 41 relativ
zu den Kühlabschnitten 46 bewegbar
sind, wird das Aufbringen einer thermischen Spannung, die durch
die Differenz in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen
den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und dem Kühlabschnitt 46 erzeugt
wird, auf die thermoelektrischen Generatorelemente 41 unterdrückt. Dies
reduziert die Möglichkeit
von Beschädigungen,
die an den thermoelektrischen Generatorelementen 41 auftreten
können.
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Die
thermoelektrischen Generatorelemente 41 sind relativ sowohl
zu der Hülse 35 als
auch zu den Kühlabschnitten 46 bewegbar.
Ferner kontaktieren die thermoelektrischen Generatorelemente 41 direkt
die Hülse 35 und
die Kühlabschnitte 46.
Dies stellt die Erzeugung an elektrischer Energie vermittels der
Temperaturdifferenz zwischen der Hülse 35 und den Kühlabschnitten 46 sicher.
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Das
Band 52 befestigt integral die thermoelektrischen Generatorelemente 41,
die Hülse 35 und die
Kühlabschnitte 46.
Auf diese Weise werden die thermoelektrischen Generatorelemente 41 in
einem Zustand gehalten, in dem sie durch eine einfache Konstruktion
gepresst werden.
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Die
thermoelektrischen Generatorelemente 41 sind nicht vollständig befestigt
oder ortsfest. Dies vereinfacht auch die Erneuerung der thermoelektrischen
Generatorelemente 41.
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Durch
eine Erhöhung
der Adhäsion
zwischen den thermoelektrischen Generatorelementen und dem heißen Teil
oder der Adhäsion
zwischen den thermoelektrischen Generatorelementen und dem kalten
Teil kann die Wärme,
die von dem heißen
Teil auf die thermoelektrischen Generatorelemente oder von den thermoelektrischen
Generatorelementen auf das kalte Teil übertragen wird, erhöht werden,
um die elektrische Energie zu erhöhen, die durch die thermoelektrischen
Generatorelemente erzeugt wird. Wenn jedoch der Druck, der zwischen
den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und dem heißen Teil
zur Erhöhung
der Adhäsion
vergrößert wird,
kann das heiße
Teil verformt werden. Um solch eine Verformung des heißen Teiles
bei dieser Ausführungsform
zu unterdrücken,
wird die Hülse 35,
die als heißes
Teil fungiert, an der Umfangsfläche
des Gehäuses 32 angeordnet
und die Oberfläche
H von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 steht
in Kontakt mit der Hülse 35.
Die Hülse 35 erhöht die Steifigkeit
des heißen
Teiles, welches die Hülse 35 enthält. Demzufolge
wird die Verformung des heißen Teiles
(des Gehäuses 32)
selbst dann unterdrückt, wenn
der Druck in der oben beschriebenen Weise erhöht wird.
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Jedes
thermoelektrische Generatorelement 41 ist allgemein flach
ausgebildet und die Hülse 35 ist polygonal
ausgebildet. Mit anderen Worten sind die Oberflächen der Hülse 35 und die Oberflächen H der thermoelektrischen
Generatorelemente 41 in Entsprechung zueinander gestaltet.
Dies stellt die Adhäsion
zwischen den Oberflächen
H der thermoelektrischen Generatorelemente 41 und der Hülse 35 sicher.
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Das
Gehäuse 32 ist
aus austenit-rostfreiem Stahl hergestellt. Daher ist im Vergleich
zu dem Fall, wenn andere rostfreie Stähle verwendet werden, die thermische Ausdehnung
des Gehäuses 32 groß. Die radiale
Ausdehnung des Gehäuses 32 drückt die
Hülse 35 zu
den thermoelektrischen Generatorelementen 41 hin. Dies
erhöht
die Adhäsion
zwischen der Hülse 35 und
den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und erhöht die Wärmemenge,
die von der Hülse 35 auf
die thermoelektrischen Generatorelemente 41 übertragen
wird. Als ein Ergebnis wird die elektrische Energie, die durch die
thermoelektrischen Generatorelemente 41 erzeugt wird, weiter
erhöht.
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Der
Abgaskatalysator 30 ist in dem Gehäuse 32 angeordnet.
Wenn Abgas gereinigt wird, hebt die chemische Reaktionswärme die
Temperatur des Abgaskatalysators 30 an. Somit liegt dann
die Temperatur des Abgaskatalysators 30 höher als
diejenige des Abgasverteilers 13 und des Abgaskanals 17.
Dies erhöht
weiter die Temperatur des Gehäuses 32 im
Vergleich zu einem Fall, wenn der Abgaskatalysator 30 nicht
verwendet wird. Demzufolge wird die Temperatur der Hülse 35,
die in Kontakt mit der Umfangsfläche
des Gehäuses 32 steht,
weiter erhöht.
Dies erhöht
dann weiter die Menge der elektrischen Energie, die durch die thermoelektrischen
Generatorelemente 41 erzeugt wird. Eine weitere Erhöhung der
Temperatur der Hülse 35 erhöht die Verformung,
die durch die thermische Ausdehnung verursacht wird. Selbst wenn
jedoch die thermische Ausdehnung das heiße Teil verformt, wird der
thermoelektrische Generator 20 daran gehindert, bei der
Beschädigung
der thermoelektrischen Generatorelemente 41 beteiligt zu sein.
Ferner sind der Abgaskatalysator 30 und der thermoelektrische
Generator 20 zusammenhängend ausgebildet.
Bei dieser Konstruktion kann das gesamte Abgasgerät für die Brennkraftmaschine
kompakt ausgeführt
werden, und zwar im Vergleich mit einem Fall, bei dem der Abgaskatalysator 30 und
der thermoelektrische Generator 20 getrennt in dem Abgaskanal 17 angeordnet
sind.
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Die
Abgastemperatur steigt an, wenn die Brennkraftmaschine in einem
Zustand betrieben wird, in welchem die Maschinengeschwindigkeit
und die Last hoch sind. Es besteht daher eine Neigung dafür, dass
eine Verschlechterung in dem Abgaskatalysator 30 auf Grund
der hohen Temperatur auftritt. Bei dieser Ausführungsform wird jedoch die
Hitze des Abgaskatalysators 30 durch die thermoelektrischen Generatorelemente 41 verbraucht.
Dies unterdrückt eine
Hochtemperaturverschlechterung des Abgaskatalysators 30.
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Der
Träger 31 des
Abgaskatalysators 30 ist aus Metall hergestellt. Der Metallträger überträgt in einfacher
Weise die chemische Reaktionswärme,
die dieser erzeugt, und auch die Abgaswärme. Demzufolge ist die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit
eines Metallträgers
höher als
diejenige eines Keramikträgers.
Daher wird somit die Temperatur eines Metallträgers höher als diejenige eines Keramikträgers, und
zwar schneller. Demzufolge wird bei dieser Ausführungsform die Temperatur der
Hochtemperaturoberfläche
H in jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 unmittelbar
weiter angehoben. Dies erhöht
ferner die elektrische Energie, welche durch die thermoelektrischen
Generatorelemente 41 erzeugt wird. Solch ein Metallträger kann
aus einer Vielzahl von laminierten dünnen Metallplatten hergestellt
sein oder aus einer spiralförmigen
dünnen
Metallplatte. Jedoch ist die Steifigkeit eines Trägers, der
aus solchen dünnen
Platten hergestellt ist, niedrig. Demzufolge können dünne Metallplatten einfach durch
externen Druck verformt werden. Daher kann ein Druck, der über das
Gehäuse 32 aufgebracht
wird, die dünne
Metallplatte verformen und in einigen Fällen zu einer Beschädigung an
dem Träger
führen.
Um solch ein Problem zu vermeiden, ist der Metallträger 31 dieser
Ausführungsform
durch Extrusionstechnik hergestellt. Ferner sind eine Vielzahl der
Wände zusammenhängend mit
dem Träger 31 ausgebildet.
Somit besitzt der Träger 31 im
Vergleich zu einem Träger, der
aus dünnen
Metallplatten hergestellt ist, eine hohe Steifigkeit. Daher ist
auch der Verformungsbetrag, der sich aus einer externen Kraft ergibt,
geringer. Demzufolge wird die Verformung des Trägers 31 unterdrückt, und
zwar selbst wenn ein Druck auf den Träger 31 aufgebracht
wird, und erhöht
wird, um den Betrag der erzeugten elektrischen Energie zu vergrößern.
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Der
Kühlmechanismus 42,
durch den das Kühlmittel
fließt,
ist an den Niedrigtemperaturoberflächen C der thermoelektrischen
Generatorelemente 41 angeordnet, um die Niedrigtemperaturoberflächen C ausreichend
zu kühlen.
Ferner strömt
das Kühlmittel
in den Kühlmechanismus 42 nach
unten hin. Dies erzeugt eine Wertedifferenz zwischen dem stromaufwärtigen Teil
des Kühlmechanismus 42,
an welchem das Kühlmittel
ange saugt wird, und dem stromabwärtigen
Teil. Das Kühlmittel
strömt
daher effizient durch den Kühlmechanismus 42 hindurch.
Ferner strömt das
Kühlmittel
in der gleichen Richtung wie das Abgas. Mit anderen Worten strömt das Kühlmittel
stromabwärts,
und zwar in Bezug auf die Strömung
des Abgases. Dies führt
zu einer effizienten Kühlung
des gesamten Kühlmechanismus 42.
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Die
Hochtemperaturoberfläche
H und die Niedrigtemperaturoberfläche C von jedem thermoelektrischen
Generatorelement 41 ist mit einem amorphen Kohlenstofffilm 41a beschichtet.
Der amorphe Kohlenstofffilm 41a oder der diamantähnliche
Kohlenstofffilm (DLC) besitzt einen relativ kleinen Reibungskoeffizienten.
Daher ist der Bewegungswiderstand zwischen den thermoelektrischen
Generatorelementen 41 und dem Teil, welches die thermoelektrischen
Generatorelemente 41 kontaktiert (die Hülse 35 und die Kühlabschnitte 46),
relativ klein. Daher können
sich die thermoelektrischen Generatorelemente 41 einfach
auf der Hülse 35 und
den Kühlabschnitten 46 bewegen.
Dies reduziert in ausreichender Weise die Möglichkeit von Beschädigungen,
die an den thermoelektrischen Generatorelementen 41 auftreten
können.
Der amorphe Kohlenstofffilm 41a besitzt eine relativ gute
elektrische Isoliereigenschaft. Dies stellt eine Isolation zwischen
den hochtemperaturseitigen Elektroden der thermoelektrischen Generatorelemente 41 und
zwischen den niedrigtemperaturseitigen Elektroden der thermoelektrischen
Generatorelemente 41 sicher. Der amorphe Kohlenstofffilm 41a besitzt
eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit. Dies stellt die Erzeugung
der elektrischen Energie in Entsprechung zu der Temperaturdifferenz
zwischen den heißen
und kalten Teilen sicher. Ferner besitzt der amorphe Kohlenstofffilm 41a einen
relativ guten Wärmewiderstand
und Abriebwiderstandseigenschaften. Dies stellt die Erzeugung der
elektrischen Energie über
eine lange Zeitperiode sicher.
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Der
thermoelektrische Generator 20 dieser Ausführungsform
besitzt die im Folgenden beschriebenen Vorteile.
- (1)
Die thermoelektrischen Generatorelemente 41 sind relativ
sowohl zu dem heißen
Teil (Hülse 35) als
auch zu dem Kühlteil
(Kühlabschnitte 46)
bewegbar. Dies reduziert die Möglichkeit,
dass die Differenz zwischen den therapeutischen Ausdehnungskoeffizienten
der heißen
und kalten Teile und der thermoelektrischen Generatorelemente 41 zu
einer Beschädigung
an den thermoelektrischen Generatorelementen 41 führt.
Die
thermoelektrischen Generatorelemente 41 sind relativ sowohl
zu dem heißen
Teil als auch dem kalten Teil bewegbar. Ferner kontaktieren die thermoelektrischen
Generatorelemente 41 direkt die heißen und kalten Teile. Dies
stellt die Erzeugung von elektrischer Energie in Entsprechung zu der
Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Teilen in einer
optimalen Weise sicher.
- (2) Jedes thermoelektrische Generatorelement 41 wird
in einem Zustand gehalten, in dem es durch die heißen und
kalten Teile gepresst gehalten ist. Demzufolge ist das thermoelektrische
Generatorelement 41 nicht vollständig an den heißen und kalten
Teilen befestigt oder an diesen fixiert. Das thermoelektrische Generatorelement 41 ist
somit relativ zu den heißen
und kalten Teilen bewegbar.
- (3) Die thermoelektrischen Generatorelemente 41 sind
nicht vollständig
fixiert. Dies vereinfacht den Ersatz der thermoelektrischen Generatorelemente 41.
- (4) Die Bänder 52 befestigen
integral die thermoelektrischen Generatorelemente 41, das
heiße Teil
und das kalte Teil. Somit werden die thermoelektrischen Generatorelemente 41 in
einem gedrückten
Zustand einfach durch eine einfache Konstruktion gehalten.
- (5) Die Hülse 35,
die einen Teil des heißen
Teiles bietet, ist an der Umfangsfläche des Gehäuses 32 angeordnet,
die einen Teil des Abgaskanals bildet. Dies erhöht die elektrische Energie,
die durch die thermoelektrischen Generatorelemente 41 erzeugt
wird, und unterdrückt
die Verformung des Gehäuses 32.
- (6) Die Oberflächen
der Hülse 35,
welche die Oberflächen
H der thermoelektrischen Generatorelemente 41 berühren, sind
in Übereinstimmung mit
den Oberflächen
H gestaltet. Spezifischer ausgedrückt, ist die Hülse 35 polygonal
gestaltet und besitzt eine Vielzahl an flachen Flächen. Dies stellt
eine Adhäsion
zwischen den Oberflächen
H der thermoelektrischen Generatorelemente 41 und der Hülse 35 sicher,
die Teil des heißen
Teiles darstellt.
- (7) Das Gehäuse 32 ist
aus einem rostfreien Austenit-Stahl hergestellt. Dies verbessert
weiter die Adhäsion
zwischen der Hülse 35 und
den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und erhöht ferner
die elektrische Energie, die durch die thermoelektrischen Generatorelemente 41 erzeugt wird.
- (8) Der Abgaskatalysator 30 ist in dem Gehäuse 32 angeordnet.
Dies erhöht
weiter die Temperatur der Hülse 35 und
erhöht
auch die elektrische Energie, die durch die thermoelektrischen Generatorelemente 41 erzeugt
wird. Selbst wenn bei dieser Ausführungsform die thermische Expansion das
heiße
Teil verformt, welches die Hülse 35 enthält, werden
die Möglichkeiten
der Beschädigung in
Verbindung mit den thermoelektrischen Generatorelementen 41 reduziert.
Selbst wenn demzufolge eine Konstruktion zur Erhöhung der Temperatur der Hülse 35 angewendet
wird, wird die Möglichkeit
einer Beschädigung
oder Zerstörung an
den thermoelektrischen Generatorelementen 41 reduziert.
- (9) Der Abgaskatalysator 30 und der thermoelektrische
Generator 20 sind miteinander integral angeordnet. Daher
kann das gesamte Abgasgerät für die Brennkraftmaschine
auch kompakt ausgeführt
werden.
- (10) Die Abgastemperatur steigt an, wenn die Brennkraftmaschine
mit einer hohen Drehzahl und in einem hohen Belastungszustand betrieben wird.
In solch einem Zustand kann eine Verschlechterung in dem Abgaskatalysator 30 verursacht
durch die hohe Temperatur auftreten. Bei dieser Ausführungsform
wird eine Verschlechterung auf Grund der hohen Temperatur des Abgaskatalysators 30 in
einer optimalen Weise unterdrückt.
- (11) Der Träger 31 des
Abgaskatalysators 30 besteht aus einem durch Explosion
geformten Metallträger.
Dies erhöht
unmittelbar und auch weiter die Temperatur der Hochtemperaturoberfläche H in
jedem thermoelektrischen Generatorelement 41. Demzufolge
kann die elektrische Energie, die durch das thermoelektrische Generatorelement 41 erzeugt
wird, weiter erhöht
werden.
Eine Verformung des Trägers 31 wird in einer
optimalen Weise unterdrückt,
da der Träger 31 als durch
Extrusionstechnik geformter Metallträger ausgebildet ist, und zwar
selbst dann, wenn der Druck, der auf jedes thermoelektrische Generatorelement 41 aufgebracht
wird, erhöht
wird.
- (12) Es strömt
Kühlmittel
nach unten in den Kühlmechanismus 42.
Somit fließt
das Kühlmittel
effizient durch den Kühlmechanismus 42 und
es wird die Niedrigtemperaturoberfläche C von jedem thermoelektrischen
Generatorelement 41 in einer optimalen Weise gekühlt.
Ferner
fließt
Kühlmittel
in der gleichen Richtung wie das Abgas. Demzufolge wird der gesamte Kühlmechanismus 42 in
einer optimalen Weise gekühlt.
- (13) Die zwei Seiten von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 sind
mit amorphen Kohlenstofffilmen 41a beschichtet. Daher ist
der Bewegungswiderstand zwischen den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und
dem Teil, welches die thermoelektrischen Generatorelemente 41 kontaktiert
(die Hülse 35 und
die Kühlabschnitte 46)
klein. Dies reduziert in effizienter Weise die Möglichkeit einer Beschädigung oder Zerstörung, die
an den thermoelektrischen Generatorelementen 41 auftreten
kann. Ferner wird auch eine Isolation zwischen den Elektroden auf der
Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Generatorelemente 41 und
zwischen den Elektroden auf der Niedrigtemperaturseite der thermoelektrischen
Generatorelemente 41 sichergestellt.
-
Zusätzlich wird
die Erzeugung der elektrischen Energie entsprechend der Temperaturdifferenz
zwischen den heißen
und kalten Teilen sichergestellt. Demzufolge wird die Erzeugung
der elektrischen Energie über
eine lange Periode hinweg sichergestellt.
-
Es
sei für
Fachleute darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung in
vielfältigen
anderen spezifischen Formen realisiert werden kann, ohne dabei den
Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sei speziell darauf hingewiesen,
dass die vorliegende Erfindung in den folgenden Formen ausgeführt werden
kann.
-
Bei
der bevorzugten Ausführungsform
befestigen die Bänder 52 integral
die Kühlabschnitte 46, die
thermoelektrischen Generatorelemente 41 und die Hülse 35.
Statt dessen können
die thermoelektrischen Generatorelemente 41 in einem angedrückten Zustand
gehalten werden, wie in 6 gezeigt ist.
-
Spezifischer
ausgedrückt,
ist ein allgemein polygonaler Träger 31' in ein polygonales
Gehäuse 32' eingefügt. Ein
Kühlmechanismus 42' besitzt eine Vielzahl
an Kühlabschnitten 46,
die in einer integralen Weise ausgebildet sind und sich in der Umfangsrichtung
des Gehäuses 32' erstrecken,
welches in der Abgasströmungsrichtung
angeordnet ist. Die thermoelektrischen Generatorelemente 42 sind
lose an der Innenfläche
des Kühlmechanismus 42' befestigt.
Ferner sind die thermoelektrischen Generatorelemente 41 und
der Kühlmechanismus 42' gemäß einem
Presssitz an der peripheren Oberfläche des Gehäuses 32' angeordnet oder gehaltert. Auf
diese Weise werden durch die lose Befestigung der thermoelektrischen
Generatorelemente 41 an dem kalten Teil und eine Presssitzbefestigung
des kalten Teiles und der thermoelektrischen Generatorelemente an
der peripheren Oberfläche
des heißen
Teiles, die thermoelektrischen Generatorelemente 41 gemäß einem Presssitz
zwischen dem heißen
Teil und dem kalten Teil gehalten. Bei dieser Konstruktion können die Bänder 52 weggelassen
sein. Demzufolge werden bei einer vereinfachten Konstruktion die
thermoelektrischen Generatorelemente 41 in einem Zustand
gehalten, in welchem sie zu dem heißen und dem kalten Teil hin
gedrückt
werden.
-
Das
heiße
Teil und die thermoelektrischen Generatorelemente 41 können lose
befestigt sein und das heiße
Teil und die thermoelektrischen Generatorelemente 41 können gemäß einem
Presssitz an der Innenfläche
des kalten Teiles gehalten sein. Alternativ können die thermoelektrischen
Generatorelemente auch gemäß einem
Presssitz zwischen dem heißen
Teil und dem kalten Teil gehalten sein.
-
Um
nun auf 7 einzugehen, so kann die Hülse 35 auch
weggelassen werden. In diesem Fall werden der Träger 31' und das Gehäuse 32' von 6 verwendet,
so dass die gesamte Oberfläche
H von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 direkt
die periphere Oberfläche
des Gehäuses 32' kontaktiert.
Demzufolge wird Wärme
von dem Träger 31' auf die thermoelektrischen
Generatorelemente 41 in einer optimalen Weise übertragen.
-
Wie
oben beschrieben ist, kann in 6 die Hülse 35 weggelassen
werden und die thermoelektrischen Generatorelemente 41 werden
gemäß einem Presssitz
zwischen den heißen
und kalten Teilen gehalten. Statt dessen kann gemäß 8 die
Hülse 35 verwendet
werden und es können
die thermoelektrischen Generatorelemente 41 entsprechend
einem Presssitz zwischen der Hülse 35 und
dem kalten Teil gehalten sein.
-
Die
Hülse 35 der
bevorzugten Ausführungsform
kann aus rostfreiem Austenit-Stahl
hergestellt sein. Dies erhöht
die thermische Ausdehnung der Hülse 35 und
verbessert die Adhäsion
zwischen den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und
der Hülse 35.
Als ein Ergebnis wird die Wärme,
die von der Hülse 35 auf
die thermoelektrischen Generatorelemente 41 übertragen
wird, erhöht.
Dies erhöht
weiter die elektrische Energie, die durch die thermoelektrischen
Generatorelemente 41 erzeugt wird.
-
Die
Hülse 35 und
das Gehäuse 32 können zusammenhängend oder
einstückig
ausgebildet sein und der Abgaskatalysator kann in die Hülse 35 eingeführt sein.
-
Wie
oben beschrieben ist, ist es zu bevorzugen, dass der Träger 31 aus
einem durch Extrusionsformung hergestellten Metallträger gebildet
ist. Jedoch kann der Träger 31 auch
aus einem Keramikträger
oder einem Metallträger
hergestellt sein, der aus einer dünnen Metallplatte bildet ist.
-
In
jeder Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann irgendein Abgaskatalysator verwendet
werden, sofern Wärme
erzeugt wird, wenn die Abgaskomponenten gereinigt werden.
-
Der
Träger
in dem Gehäuse 32 oder
das Gehäuse 32', das heißt der Abgaskatalysator,
kann weggelassen werden. Mit anderen Worten kann die vorliegende
Erfindung auch auf eine Konstruktion angewendet werden, bei der
die thermoelektrischen Generatorelemente 41 an der Umfangsfläche eines Abgasrohres
angeordnet sind, welches das Abgassystem bildet.
-
Bei
der bevorzugten Ausführungsform
sind die zwei Seiten der thermoelektrischen Generatorelemente 41 durch
einen amorphen Kohlenstofffilm 41a beschichtet. Es kann
irgendein Film verwendet werden, um die Beschichtung zu bilden,
solange als dessen Reibungskoeffizient klein ist, eine gute elektrische
Isolation, thermische Transmission, Wärmewiderstand und Abriebwiderstandseigenschaften realisiert
werden. Ferner kann eine Seite von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 (z.
B. die Oberfläche
H) durch den amorphen Kohlenstofffilm 41a beschichtet sein,
während
die andere Seite von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 (z. B.
die Oberfläche
C) mit einem Film beschichtet sein kann, der sich von dem amorphen
Kohlenstofffilm 41a unterscheidet.
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Es
kann auch irgendeine Anzahl der thermoelektrischen Generatorelemente 41 vorgesehen
sein.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
wird ein Kühlmittel
als Kühlmedium
des Kühlmechanismus 42 verwendet.
Es kann jedoch auch irgendein Kühlmedium
verwendet werden, sofern der Kühlmechanismus 42 auch
gekühlt
wird.
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Der
Kühlmechanismus 42 besteht
aus einem so genannten wassergekühlten
Mechanismus. Statt dessen kann auch ein luftgekühlter Mechanismus mit Wärmeabstrahlrippen
verwendet werden.
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Die
Belleville-Federn 50 und Unterlegscheiben 51 können beseitigt
werden und die Bänder 52 können direkt
die Kühlabschnitte 46 befestigen.
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Wie
in 9 gezeigt ist, kann der thermoelektrische Generator 20 direkt
unterhalb von dem Abgasverteiler 13 angeordnet sein. Dies
würde dann auch
zu einer Abflachung des Unterbodens des Fahrzeugs 1 beitragen
und den Innenraum des Fahrzeugs 1 vergrößern.
-
Die
vorliegenden Beispiele und Ausführungsformen
sind zur Veranschaulichung gewählt und
nicht in einem einschränkenden
Sinn und die Erfindung ist nicht auf die hier angegebenen Einzelheiten
beschränkt,
sondern kann im Rahmen der anhängenden
Ansprüche
und Äquivalente
derselben modifiziert werden.