DE102009058156A1

DE102009058156A1 - Kühleinrichtung in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102009058156A1
Application number: DE102009058156A
Authority: DE
Inventors: Sascha Bauer; Markus Beylich
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2029-12-16
Also published as: DE102009058156B4; US20110139398A1

Abstract

Eine Kühleinrichtung in einem Fahrzeug weist ein als thermoelektrischer Generator ausgeführtes Spannungserzeugungsbauteil auf, das in die als Fahrzeugkühler ausgebildete Kühleinrichtung integriert ist, wobei das Spannungserzeugungsbauteil und eine Kühllamelle des Fahrzeugkühlers eine gemeinsame Baueinheit bilden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung in einem Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
In der DE 10 2007 011 954 A1 wird ein Kühler in einem Fahrzeug beschrieben, der zum Ableiten der Betriebswärme der Brennkraftmaschine im Fahrzeug dient. An dem Kühler ist ein sogenanntes Seebeck-Element angeordnet, bei dem es sich um ein thermoelektrisches Bauteil handelt, welches aus einer anliegenden Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung erzeugt. Der in der DE 10 2007 011 954 A1 beschriebene Kühler wird mit Kühlmittel betrieben, dessen Wärme nicht direkt an die vorbeiströmende Umgebungsluft, sondern an das Seebeck-Element zur Spannungserzeugung abgegeben wird. Das Seebeck-Element wirkt somit als thermoelektrischer Generator.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad in Kraftfahrzeugen zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung wird z. B. als Kühler für Brennkraftmaschinen, insbesondere als Fahrzeugkühler in Kraftfahrzeugen eingesetzt und dient zur Kühlung eines oder mehrerer Aggregate bzw. Nebenaggregate im Fahrzeug, beispielsweise zur Kühlung einer Brennkraftmaschine, zur Getriebekühlung oder zur Temperierung des Fahrzeuginnenraums. In den Fahrzeugkühler ist ein Spannungserzeugungsbauteil integriert, das als thermoelektrischer Generator ausgeführt ist, welcher auf dem Seebeck-Effekt beruhend bei einer anliegenden Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung erzeugt. Das Spannungserzeugungsbauteil ist Bestandteil des Fahrzeugkühlers, was zum einen den Vorteil bietet, dass der Fahrzeugkühler als modulare Einheit mitsamt dem Spannungserzeugungsbauteil vorgefertigt in das Fahrzeug eingebaut werden kann. Zum andern kann auf diese Weise über den Seebeck-Effekt eine elektrische Spannung unabhängig von der Wärmequelle im Fahrzeug generiert werden, da der Fahrzeugkühler zur Kühlung verschiedenartiger Aggregate bzw. Nebenaggregate im Fahrzeug einsetzbar ist. Eine unmittelbare Anordnung des Spannungserzeugungsbauteils an dem Wärme generierenden Aggregat ist somit nicht erforderlich.
Die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlstrom des Fahrzeugkühlers, der die Wärme des Aggregats bzw. Nebenaggregats des Fahrzeugs ableitet, und dem umgebenden Medium, insbesondere der Umgebungsluft, an die die Wärme abgegeben wird, wird für die Erzeugung des Seebeck-Effekts herangezogen. Das Spannungserzeugungsbauteil, welches als thermoelektrischer Generator fungiert, ist an einer Kühllamelle des Fahrzeugkühlers angeordnet und bildet mit diesem eine gemeinsame Baueinheit. Die Kühllamelle weist eine große Oberfläche auf und sorgt dadurch für eine bessere Wärmeabgabe vom Kühlstrom an die Umgebung. Das Spannungserzeugungsbauteil liegt vorzugsweise zwischen dem Kühlstrom bzw. einer Kühlstromleitung und der Kühllamelle, so dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlstrom und dem umgebenden Medium in optimaler Weise auch in dem Spannungserzeugungsbauteil wirksam ist, welches dadurch auch einen bestmöglichen Wirkungsgrad entfalten kann.
Die in dem Spannungserzeugungsbauteil generierte Spannung wird vorzugsweise in eine Batterie im Fahrzeug eingespeist, wobei grundsätzlich auch ein unmittelbarer Betrieb einer elektrischen Komponente im Fahrzeug in Betracht kommt, beispielsweise ein Wärme generierendes Bauteil, welches auf dem Peltiereffekt basiert und das beispielsweise zur Temperierung temperaturkritischer Komponenten im Fahrzeug oder zur Temperierung des Fahrzeuginnenraums herangezogen werden kann.
Das Spannungserzeugungsbauteil und zumindest eine Kühllamelle im Fahrzeugkühler bilden eine gemeinsame Baueinheit, was auf verschiedenartige Weise realisiert werden kann. So ist es beispielsweise möglich, die Kühllamelle und das Spannungserzeugungsbauteil jeweils als separate Einzelbauteile zu fertigen, die miteinander verbunden werden; in diesem Fall befindet sich das Spannungserzeugungsbauteil zweckmäßigerweise an der Außenwand der Kühllamelle. Im Falle einer separaten Ausbildung ist das Spannungserzeugungsbauteil beispielsweise als Laminat bzw. Folie ausgeführt, das bzw. die auf die Außenseite der Kühllamelle aufgebracht wird. Das Laminat bzw. die Folie kann großflächig auf die Kühllamelle aufgebracht werden, so dass die Temperaturdifferenz zwischen Kühlstrom und Kühllamelle in entsprechender Weise großflächig ausgenutzt werden kann.
Grundsätzlich möglich ist darüber hinaus aber auch eine Vereinigung von Spannungserzeugungsbauteil und Kühllamelle zu einem gemeinsamen Bauteil; in diesem Fall ist das Spannungserzeugungsbauteil einstückig mit der Kühllamelle ausgeführt, beispielsweise dergestalt, dass die Wandung der Kühllamelle als Spannungserzeugungsbauteil ausgebildet ist. Dies kann zum Beispiel in der Weise realisiert werden, dass die Kühllamelle dreilagig aufgebaut ist, wobei die beiden äußeren Lagen aus einem Leichtmetall und die innere Lage aus einem thermoelektrischen Material bestehen. Die äußeren Lagen bilden im elektrischen Sinne die Masse bzw. den Minuspol, wohingegen die innere, thermoelektrische Lage das Potenzial bzw. den Pluspol bildet, dessen Spannung abgegriffen und entweder der Batterie zugeführt oder zum Betrieb einer Fahrzeugkomponente genutzt werden kann.
Der dreilagige Aufbau der Kühllamelle weist zudem den Vorteil auf, dass die Temperaturdifferenz zwischen jeder der beiden äußeren Lagen und der inneren Lage für die Erzeugung einer Spannung ausgenutzt werden kann, so dass die Temperaturdifferenz in entgegen gesetzte Richtungen wirksam wird. Dies kommt insbesondere bei Ausführungen in Betracht, bei denen eine Kühllamelle zwischen zwei Kühlströmen bzw. Kühlstromleitungen angeordnet ist, so dass an beiden Außenseiten der Kühllamelle höhere Temperaturen und an der Innenseite eine niedrigere Temperatur herrscht. Dieser Temperaturgradient ist bezogen auf das Spannungserzeugungsbauteil in beide Richtungen wirksam, wodurch der Wirkungsgrad weiter verbessert wird.
Grundsätzlich möglich ist aber auch ein Aufbau der Wandung der Kühllamelle mit zwei Lagen, wobei vorzugsweise eine Lage aus einem Leichtmetall und eine weitere Lage aus einem thermoelektrischen Material besteht. In dieser Ausführung kann der Temperaturgradient in einer Richtung zur Spannungserzeugung herangezogen werden, und zwar ausgehend von dem warmen Kühlstrom über die Kühllamelle zum umgebenden Medium mit geringerer Temperatur.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen Fahrzeugkühler, mit einer Mehrzahl von Kühllamellen zwischen jeweils zwei Kühlstromleitungen, wobei an den Kühllamellen Spannungserzeugungsbauteile angeordnet sind, die als thermoelektrische Generatoren zur Erzeugung einer Spannung als Folge einer Temperaturdifferenz in den Spannungserzeugungsbauteilen ausgeführt sind,
2 eine Detailansicht aus dem Fahrzeugkühler im Bereich einer mehrere Spannungserzeugungsbauteile miteinander verbindenden Sammelschiene,
2a eine Ausführungsvariante, bei der eine Kühllamelle zugleich als Spannungserzeugungsbauteil ausgeführt ist,
3 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Fahrzeugfrontkühler, der mit Spannungserzeugungsbauteilen ausgestattet ist,
4 eine Detaildarstellung eines Spannungserzeugungsbauteils, das als Laminat auf einen Trägerkörper aufgebracht ist,
5 eine Kühllamelle in Wellenform mit einem Spannungserzeugungsbauteil, das am Grund einer U-förmigen Welle der Kühllamelle angeordnet ist.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Bei dem in 1 dargestellten Fahrzeugkühler 1 handelt es sich insbesondere um einen Kühler in einem Kraftfahrzeug, welcher im Frontbereich des Fahrzeugs angeordnet ist. Der Fahrzeugkühler 1 umfasst eine Mehrzahl parallel angeordneter Kühllamellen 2, zwischen denen jeweils eine Kühlstromleitung 3 mit dem zu kühlenden Medium bzw. Kühlstrom verläuft. Das Kühlmedium wird von den jeweiligen Aggregaten bzw. Nebenaggregaten des Fahrzeugs kommend in einen Sammler 4 des Fahrzeugkühlers geleitet, von dem aus der Kühlstrom in jede Kühlstromleitung 3 zwischen den Kühllamellen 2 verzweigt. Die Kühlstromleitungen 3 sind insbesondere als Aluminium-Flachkanal ausgebildet.
Jeder Kühllamelle 2 ist ein Spannungserzeugungsbauteil 5 zugeordnet, welches als thermoelektrischer Generator fungiert und ein Material aufweist, das auf dem sogenannten Seebeck-Effekt beruhend bei einer anliegenden Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung erzeugt. Die Temperaturdifferenz liegt zwischen dem warmen Kühlstrom in der Kühlstromleitung 3 und den Kühllamellen 2 an; in dieser Richtung erfolgt ein Temperaturabfall, der in dem zwischen den Kühlstromleitungen 3 und den Kühllamellen 2 angeordneten Spannungserzeugungsbauteil 5 wirksam ist. Durch den thermoelektrischen Effekt im Spannungserzeugungsbauteil 5 wird eine elektrische Spannung generiert, die abgegriffen und entweder in einer Batterie als elektrische Energie gespeichert oder zum Antrieb bzw. zur Temperaturerzeugung in einem elektrischen Bauteil im Fahrzeug genutzt wird.
Vorgesehen sind im Ausführungsbeispiel nach 1 eine Mehrzahl von Spannungserzeugungsbauteilen 5, die jeweils plattenförmig ausgebildet und an beiden Seiten jeder Kühllamelle 2 angeordnet sind. Über die Länge der Kühllamelle 2 gesehen sind an jeder Seite mehrere, einzelne Spannungserzeugungsbauteile 5 angeordnet, wobei jeweils zwei unmittelbar benachbarte Spannungserzeugungsbauteile 5 über eine elektrische Kontaktbrücke 6 elektrisch miteinander verbunden sind. Durch diese Reihenschaltung wird ein höheres Spannungspotenzial erreicht, das zur Speicherung oder zum Betrieb einer elektrischen Komponente zur Verfügung steht.
Die Kühllamellen 2 sind wellenförmig ausgebildet, wobei die plattenförmigen Spannungserzeugungsbauteile 5 jeweils an den gegenüberliegenden Wellentälern bzw. Wellenbergen der Kühllamellen 2 auf Kontakt anliegen. In einer weiteren Ausführung, die in 1 mit gestrichelter Linie dargestellt ist, ist das Spannungserzeugungsbauteil 5 als Laminat ausgebildet und unmittelbar auf die Wandung der Kühllamelle 2 aufgebracht. Dies hat den Vorteil, dass das Spannungserzeugungsbauteil 5 eine größere Fläche abdeckt, die grundsätzlich der Fläche entspricht, welche von der wellenförmigen Kühllamelle eingenommen wird.
2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Fahrzeugkühler 1 mit einer Sammelschiene 7, die zur elektrischen Verbindung parallel angeordneter, einzelner Spannungserzeugungsbauteile 5 dient. Der elektrische Kontakt 8 stellt den Minuspol (elektrische Masse) dar, der elektrische Kontakt 9 den Pluspol, welcher bezogen auf die elektrische Masse das Spannungspotenzial darstellt, das von der Sammelschiene 7 abgegriffen und zur Speicherung in der Batterie oder zum Betrieb eines elektrischen Bauteiles genutzt wird.
2a zeigt eine Ausführungsvariante einer Kühllamelle 2, die zugleich ein Spannungserzeugungsbauteil 5 bildet. Die Kühllamelle 2 ist wellenförmig mit einem U-förmigen Profil ausgebildet und besteht aus drei Lagen 10, 11, 12, wobei die beiden äußeren Lagen 10, 11 zweckmäßigerweise aus einem Leichtmetall wie beispielsweise Aluminium bestehen und die mittlere bzw. innere Lage 12 aus einem thermoelektrisch wirksamen Material. Die äußeren Lagen 10, 11 sorgen zum einen für Stabilität und zum andern für eine gute Wärmeabgabe, außerdem ist die thermoelektrisch wirksame innere Lage 12 von den beiden äußeren Lagen 10 und 11 geschützt. Bei einer in dieser Weise ausgeführten Kühllamelle 2, mit der das Spannungserzeugungsbauteil 5 einteilig ausgeführt ist, kann auf ein separates Spannungserzeugungsbauteil verzichtet werden.
Die dreilagige Ausführung der Kühllamelle 2 bzw. des Spannungserzeugungsbauteils 5 hat zudem den weiteren Vorteil, dass ein Temperaturgradient von beiden außen liegenden Lagen 10 bzw. 11 zur inneren Lage 12 zur Spannungserzeugung ausgenutzt werden kann. Damit ist es möglich, die in dem Kühlstrom enthaltene Wärme sowohl an der einen als auch an der gegenüberliegenden Seite der Kühllamelle zur Spannungserzeugung auszunutzen, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert wird.
In 3 ist in schematischer Weise ein Kraftfahrzeug 13 dargestellt, das im Frontbereich den Fahrzeugkühler 1 aufweist, welcher aus mehreren Einzelkühlern 14 bis 17 besteht. Die Einzelkühler 14 bis 17 dienen zur Kühlung von Kühlmedium, welches jeweils einer Komponente bzw. einem Aggregat im Fahrzeug zugeordnet ist. Beispielsweise umfasst der Fahrzeugkühler 1 einen Servo-Ölkühler 14, einen Klimakühler 15, eine Ladeluftkühlerschicht 16 sowie eine Kühlwasserschicht 17. Diese Einzelkühler sind zusammengefasst und in den Fahrzeugkühler 1 integriert.
Zweckmäßigerweise ist jedem Einzelkühler 14 bis 17 jeweils mindestens ein Spannungserzeugungselement zugeordnet, das die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmedium in jedem Einzelkühler und der Umgebungsluft zur Spannungserzeugung ausnutzt. Das insgesamt erzeugte Spannungspotenzial (Pluspol) wird in einer Batterie 18 im Fahrzeug gespeichert bzw. kann beispielsweise zum Antrieb eines Elektromotors 19 unterstützend eingesetzt werden, der zum Antrieb der Hinterräder eingesetzt wird.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Spannungserzeugungsbauteil 5 dargestellt, welches als Laminat ausgebildet und auf die Außenwand der Kühllamelle 2 aufgebracht ist. Aufgrund der Biegsamkeit des Laminats – gegebenenfalls kommt auch eine Folie in Frage – kann das Spannungserzeugungsbauteil 5 vor der Umformung der Kühllamelle 2 auf die Außenwand der Kühllamelle aufgebracht und gemeinsam mit dieser umgeformt werden.
Im Ausführungsbeispiel nach 5 sind Kühllamelle 2 und Spannungserzeugungsbauteil 5 als separate Bauteile ausgeführt. Das Spannungserzeugungsbauteil 5 befindet sich am Boden einer U-förmigen Welle der wellenförmigen Kühllamelle 2.
Im Ausführungsbeispiel nach 6 sind die Spannungserzeugungsbauteile 5 selbst als Kühllamellen ausgebildet und in Wellenform auf die Kühlstromleitungen aufgebracht. Dabei greifen Wellen und Täler gegenüberliegender Kühllamellen ineinander.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007011954 A1 [0002, 0002]

Claims

Kühleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Fahrzeug, mit einem als thermoelektrischer Generator ausgeführten Spannungserzeugungsbauteil (5), dessen eine Seite einem Kühlstrom durch die Kühleinrichtung (1) zugewandt ist, wobei der Kühlstrom der Kühleinrichtung (1) Wärme eines Aggregats im Fahrzeug ableitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung als ein Fahrzeugkühler (1) ausgeführt und das Spannungserzeugungsbauteil (5) in den Fahrzeugkühler (1) integriert ist, wobei das Spannungserzeugungsbauteil (5) und eine Kühllamelle (2) des Fahrzeugkühlers (1) eine gemeinsame Baueinheit bilden.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühllamelle (2) das Spannungserzeugungsbauteil (5) bildet.
Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühllamelle (2) zweilagig aufgebaut ist, wobei eine Lage (10, 11) aus einem Leichtmetall und eine Lage (12) aus einem thermoelektrischen Material besteht.
Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühllamelle (2) dreilagig aufgebaut ist, wobei die beiden äußeren Lagen (10, 11) aus einem Leichtmetall und die innere Lage (12) aus einem thermoelektrischen Material besteht.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungserzeugungsbauteil (5) als separates Bauteil ausgebildet ist, das an der Außenwand der Kühllamelle (2) anliegt.
Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungserzeugungsbauteil (5) als Laminat auf die Außenwand der Kühllamelle (2) aufgebracht ist.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungserzeugungsbauteil (5) einen spiegelsymmetrischen Aufbau aufweist.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Kühlstromleitungen (3) ein Spannungserzeugungsbauteil (5) angeordnet ist.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühllamelle (2) ein Wellenprofil aufweist.
Fahrzeug mit einem Fahrzeugkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9.