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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum thermoelektrischen Erzeugen von Energie für ein Fahrzeug.
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Viele Aggregate in Fahrzeugen benötigen während eines Standby-Betriebs eine relativ geringe Energiemenge zur Aufrechterhaltung ihrer Funktionsfähigkeit bzw. zum Erhalt der Fähigkeit, aus dem Standby-Betrieb wieder in den Betriebszustand zu wechseln. Ein Beispiel sind die relativ zahlreichen elektrischen Aggregate in technisch bzw. elektronisch hochgerüsteten Automobilen, die auch im Standby-Betrieb Energie verbrauchen und so nach und nach die Batterie des Fahrzeuges entladen. Andererseits entsteht in einem Automobil während des Fahrbetriebs eine große Menge an Wärmeenergie, die bisher häufig ungenutzt verloren geht.
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Die
DE 60 2005 001 838 T2 betrifft eine Stromversorgungseinrichtung und insbesondere eine Stromversorgungseinrichtung für ein Fahrzeug.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum thermoelektrischen Erzeugen von Energie für ein Fahrzeug zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum thermoelektrischen Erzeugen von Energie für ein Fahrzeug, gemäß dem Hauptanspruch.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum thermoelektrischen Erzeugen von Energie für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:
eine Wärmespeichereinrichtung mit einem Latentwärmespeichermaterial, die mit einem sich während eines Betriebs des Fahrzeugs erwärmenden Fahrzeugteil thermisch koppelbar oder gekoppelt ist, wobei die Wärmespeichereinrichtung ausgebildet ist, um Wärmeenergie von dem Fahrzeugteil aufzunehmen und zu speichern; und
eine thermoelektrische Generatoreinrichtung, die mit der Wärmespeichereinrichtung thermisch gekoppelt ist, wobei die thermoelektrische Generatoreinrichtung ausgebildet ist, um aus Wärmeenergie von der Wärmespeichereinrichtung elektrische Energie zu erzeugen.
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Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug handeln, beispielsweise ein straßengebundenes Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, ein Fahrzeug zum Personentransport oder ein sonstiges Nutzfahrzeug. Die Vorrichtung kann beispielsweise mit einem Teil eines Abgasstrangs einer Verbrennungskraftmaschine als das Fahrzeugteil des Fahrzeugs thermisch koppelbar oder gekoppelt sein. Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, um insbesondere Elektronik im Standby-Betrieb mit elektrischem Strom zu versorgen. Bei dem Latentwärmespeichermaterial kann es sich um ein so genanntes Phasenänderungsmaterial bzw. Phase Changing Material (PCM) handeln. Die Vorrichtung kann somit eine Kombination aus einem thermoelektrischem Generator und einem Latentwärmespeicher mit Phasenänderungsmaterial bzw. eine Kombination von thermoelektrischer Stromerzeugung und thermischer-Energiespeicherung mit PCM nutzen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Nutzung einer thermoelektrischen Generatoreinrichtung bzw. thermoelektrischer Elemente an beispielsweise einem Abgasstrang eines Fahrzeugs zur Gewinnung elektrischer Energie. Somit kann elektrische Energie durch die Ausnutzung des thermoelektrischen Effektes aus während einer Fahrt des Fahrzeugs entstandener Abwärme zur Verfügung gestellt werden. Die elektrische Energie kann zur Versorgung elektrischer Aggregate eines Automobils z. B. im Standby-Betrieb dienen. Es können dabei sowohl konventionelle thermoelektrische Materialien als auch höher entwickelte thermoelektrische Materialien zum Einsatz kommen. Die hier vorgestellte Erfindung nutzt die entstehende bzw. vorhandene Wärmeenergie in einem Fahrzeug und speichert dieselbe in einer Wärmespeichereinrichtung mit einem Latentwärmespeichermaterial bzw. Phase Change Material. Das Latentwärmespeichermaterial kann aufgrund von Eigenschaften wie einer grollen Phasenumwandlungsenergie bei gleichzeitig guter Isolierung über einen möglichst großen Zeitraum mittels des thermoelektrischen Generators eine Energiequelle für über lange Zeit zur Verfügung stehende elektrische Energie darstellen. Die vorliegende Erfindung ist auch für eine Anwendung in Fahrzeugen geeignet, die große Intervalle zwischen den Betriebszeiten aufweisen.
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Vorteilhafterweise kann mit der hier vorgestellten Erfindung bei geringem Kostenaufwand eine lang anhaltende Energiequelle für elektrische Aggregate bereitgestellt werden. Insbesondere ist die Erfindung zur Energieversorgung für elektrische Aggregate geeignet, wenn sich diese im Standby-Zustand befinden. Durch die im Abgas vorhandene und gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nutzbar gemachte thermische Energie und den geringen apparatetechnischen Aufwand gelingt die Stromversorgung von elektrischen Verbrauchern auf preisgünstige und Platz sparende Weise. Somit kann wirksam vermieden werden, dass die Batterie des Automobils nach längerer Standzeit entladen und das Automobil deswegen nicht startbereit ist. Daher kann zur Standby-Versorgung von elektronischen Aggregaten in einem Fahrzeug auf beispielsweise einen zusätzlichen Energiespeicher, der durch den Generator während des Fahrbetriebs geladen würde, wie z. B. eine zusätzliche Batterie, mit einer entsprechend grollen Kapazität verzichtet werden, sodass Gewicht, Bauraumbedarf und Kosten gesenkt werden können. Weiterhin ergibt sich durch die vorliegende Erfindung ein vorteilhaft geringer apparativer Aufwand im Gegensatz zu anderen bekannten Technologien, wie z. B. dem Rankine Cycle. Vorteilhafterweise ist auch während des Standby-Betriebes des Fahrzeugs eine Energieerzeugung möglich über einen längeren Zeitraum auch.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die thermoelektrische Generatoreinrichtung als eine thermoelektrische Folie ausgebildet sein. Somit kann die thermoelektrische Generatoreinrichtung bzw. können die thermoelektrischen Elemente nicht nur als konventionelle Elemente sondern auch als thermoelektrische Folie ausgeformt sein. Eine solche thermoelektrische Folie bietet den Vorteil, dass deren Flexibilität eine optimale Ausnutzung der üblicherweise nicht ebenen heißen Flächen beispielsweise in einem Abgasstrang eines Fahrzeugs ermöglicht. Somit kann die Leistungsausbeute erhöht und der Platzbedarf reduziert werden.
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Auch kann die Wärmespeichereinrichtung einen ersten Abschnitt, der benachbart zu dem Fahrzeugteil angeordnet ist, und einen zweiten Abschnitt aufweisen, der weiter als der erste Abschnitt von dem Fahrzeugteil beabstandet anordenbar oder angeordnet ist. Dabei können der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt der Wärmespeichereinrichtung thermisch miteinander gekoppelt sein. Dabei kann der zweite Abschnitt der Wärmespeichereinrichtung einen zusätzlichen Vorrat an Latentwärmespeichermaterial beinhalten. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein größeres Speichervolumen für Wärmeenergie zur Verfügung steht, so dass die Leistungsausbeute erhöht werden kann.
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Ferner kann eine weitere Wärmespeichereinrichtung mit einem Latentwärmespeichermaterial vorgesehen sein, die mit der thermoelektrischen Generatoreinrichtung thermisch gekoppelt ist. Hierbei kann die thermoelektrische Generatoreinrichtung thermisch zwischen die Wärmespeichereinrichtung und die weitere Wärmespeichereinrichtung gekoppelt sein. Auch kann die thermoelektrische Generatoreinrichtung thermisch zwischen der Fahrzeugteil und die weitere Wärmespeichereinrichtung gekoppelt oder zumindest koppelbar sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein noch größeres Speichervolumen für Wärmeenergie zur Verfügung steht, so dass die Leistungsausbeute weiter erhöht werden kann. Zudem kann der Wärmefluss durch die thermoelektrische Generatoreinrichtung in zwei Richtungen erfolgen, so dass die Leistungsausbeute noch weiter erhöht werden kann und die Energiegewinnung über einen noch längeren Zeitraum stattfinden kann.
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Zudem kann eine Wärmesenkeneinrichtung vorgesehen sein, die mit der thermoelektrischen Generatoreinrichtung thermisch gekoppelt ist. Dabei kann die Wärmesenkeneinrichtung ausgebildet sein, um Wärme von der thermoelektrischen Generatoreinrichtung abzuleiten. Dabei kann die Wärmesenkeneinrichtung eine Kühlfläche oder Kühlrippen zur Umgebungsluft, einen Wärmetauscher oder dergleichen aufweisen. Eine solche Wärmesenkeneinrichtung bietet den Vorteil, dass eine definierte und gerichtete Wärmeabfuhr aus der Vorrichtung ermöglicht wird, wobei die Energieerzeugung verbessert wird.
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Des Weiteren kann eine Isoliereinrichtung zur Wärmeisolation vorgesehen sein. Die Isoliereinrichtung kann zumindest einen Oberflächenabschnitt der Wärmespeichereinrichtung und zusätzlich oder alternativ zumindest einen Oberflächenabschnitt des Fahrzeugteils bedeckend anordenbar oder angeordnet sein. Die Isoliereinrichtung kann auch zumindest einen Oberflächenabschnitt der Wärmespeichereinrichtung bedeckend angeordnet sein. Durch die Wärmeisolation an Teilen der Vorrichtung, sowie beispielsweise eine hohe Phasenumwandlungsenergie des Latentwärmespeichermaterials, kann eine vorteilhaft konstante elektrische Leistung über einen möglichst großen Zeitraum zur Verfügung gestellt werden. Diese kann beispielsweise direkt zur Versorgung der elektrischen Aggregate im Standby-Betrieb dienen.
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Es kann auch eine Wärmeleiteinrichtung vorgesehen sein, die thermisch zwischen das Fahrzeugteil und die Wärmespeichereinrichtung oder zwischen das Fahrzeugteil und die thermoelektrische Generatoreinrichtung koppelbar oder gekoppelt ist. Die Wärmeleiteinrichtung kann dabei auch thermisch zwischen den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt der Wärmespeichereinrichtung gekoppelt sein. Bei der Wärmeleiteinrichtung kann es sich beispielsweise um ein einfaches Blech aus wärmeleitfähigem Material, z. B. Kupfer, oder beispielsweise ein Wärmerohr bzw. Heatpipe handeln. Auch kann die Isoliereinrichtung zumindest einen Oberflächenabschnitt der Wärmeleiteinrichtung bedeckend angeordnet sein. Eine solche Wärmeleiteinrichtung bietet den Vorteil, dass Wärme von dem Fahrzeugteil wirksam und gerichtet dem Wärmespeicher und zusätzlich oder alternativ dem thermoelektrischen Generator zugeleitet werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann eine erste Wärmeführungseinrichtung vorgesehen sein, die thermisch zwischen die Wärmespeichereinrichtung und die thermoelektrische Generatoreinrichtung gekoppelt ist. Auch kann die erste Wärmeführungseinrichtung thermisch zwischen die Wärmeleiteinrichtung und die thermoelektrische Generatoreinrichtung gekoppelt sein. Bei der ersten Wärmeführungseinrichtung kann es sich um ein Wärmeleitblech oder dergleichen handeln. Eine solche Wärmeführungseinrichtung bietet den Vorteil, dass Wärme auf definiert geführte Weise der thermoelektrischen Generatoreinrichtung zugeführt werden kann. Die erste Wärmeführungseinrichtung ermöglicht hierbei in einem Teilabschnitt die Lenkung von Wärmeströmen innerhalb der Vorrichtung.
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Hierbei kann eine zweite Wärmeführungseinrichtung vorgesehen sein, die thermisch zwischen die thermoelektrische Generatoreinrichtung und die weitere Wärmespeichereinrichtung gekoppelt ist. Bei der zweiten Wärmeführungseinrichtung kann es sich um ein Wärmeleitblech oder dergleichen handeln. Eine solche Wärmeführungseinrichtung bietet den Vorteil, dass Wärme auf definiert geführte Weise der thermoelektrischen Generatoreinrichtung zugeführt werden kann. Die zweite Wärmeführungseinrichtung ermöglicht hierbei in einem weiteren Teilabschnitt die Lenkung von Wärmeströmen innerhalb der Vorrichtung.
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Alternativ kann eine zweite Wärmeführungseinrichtung vorgesehen sein, die thermisch zwischen die thermoelektrische Generatoreinrichtung und die Wärmesenkeneinrichtung gekoppelt ist. Bei der zweiten Wärmeführungseinrichtung kann es sich um ein Wärmeleitblech oder dergleichen handeln. Eine solche Wärmeführungseinrichtung bietet den Vorteil, dass Wärme auf definiert geführte Weise von der thermoelektrischen Generatoreinrichtung weggeleitet werden kann. Die zweite Wärmeführungseinrichtung ermöglicht hierbei in einem weiteren Teilabschnitt die Lenkung von Wärmeströmen innerhalb der Vorrichtung.
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Optional kann auch eine weitere Wärmeführungseinrichtung in oder an dem Fahrzeugteil angeordnet sein. Wenn es sich bei dem Fahrzeugteil beispielsweise um ein Auspuffrohr oder dergleichen handelt, kann die weitere Wärmeführungseinrichtung im Inneren des Auspuffrohres angeordnet sein. Die weitere Vermittlungseinrichtung kann ausgebildet sein, um eine Wärmeaufnahme und damit auch eine Energieausbeute der Vorrichtung zu erhöhen.
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Falls die mittels der Vorrichtung generierte Leistung größer als die momentan benötigte Leistung ist, kann die Vorrichtung zusätzlich einen Kondensator oder eine Kapazität aufweisen und kann die erzeugte Leistung zum Laden des Kondensators bzw. der Kapazität genutzt werden. Die in dem Kondensator bzw. der Kapazität gespeicherte Energie dient dann beispielsweise im Zustand eines verfestigten bzw. ”thermisch entladenen” Latentwärmespeichermaterials als elektrische Energiequelle zur Versorgung der elektrischen Aggregate.
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In der Praxis kann die Vorrichtung, welche das Phase Change Material und den thermoelektrischem Generator aufweist, auf geeignete Weise in das Bordnetzmanagement des Fahrzeugs einbezogen werden.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 bis 6 Darstellungen von Vorrichtungen zum thermoelektrischen Erzeugen von Energie für ein Fahrzeug, gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
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Die 1 bis 6 zeigen einige prinzipielle Beispiele, ohne andere Ausführungsbeispiele auszuschließen.
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1 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung zum thermoelektrischen Erzeugen von Energie für ein Fahrzeug, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorrichtung thermisch mit einem Fahrzeugteil gekoppelt ist. Gezeigt sind die Vorrichtung (im Querschnitt), die eine Wärmespeichereinrichtung 110 mit einem Latentwärmespeichermaterial bzw. Phasenänderungsmaterial, eine thermoelektrische Generatoreinrichtung bzw. einen thermoelektrischen Generator in Gestalt einer thermoelektrischen Folie 120 (TE-Folie) und eine Wärmesenkeneinrichtung 130 in Gestalt einer kühlenden Ringfläche aufweist, sowie das Fahrzeugteil in Gestalt eines Auspuffrohres 190. Ferner sind in 1 an der thermoelektrischen Folie 120 angeordneten Abgriffspunkte für elektrische Spannung dargestellt.
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Im Folgenden wird die Anordnung der Elemente in 1 beschrieben. Das Auspuffrohr 190 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. An das Auspuffrohr 190 radial nach außen angrenzend ist gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Wärmespeichereinrichtung 110 mit dem Latentwärmespeichermaterial angeordnet. Dabei ist die Wärmespeichereinrichtung 110 als ein das Auspuffrohr 190 umfangsmäßig umschließender Mantelraum ausgebildet.
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Die Wärmespeichereinrichtung 110 weist das Latentwärmespeichermaterial bzw. Phasenänderungsmaterial auf. An die Wärmespeichereinrichtung 110 radial außen angrenzend ist die thermoelektrische Generatoreinrichtung bzw. die thermoelektrische Folie 120 angeordnet. Die thermoelektrische Folie 120 umschließt die Wärmespeichereinrichtung 110 umfangsmäßig. Somit ist die Wärmespeichereinrichtung 110 zwischen dem Auspuffrohr 190 und der thermoelektrischen Folie 120 angeordnet. An die thermoelektrische Folie 120 radial außen angrenzend ist die Wärmesenkeneinrichtung 130 angeordnet. Die Wärmesenkeneinrichtung 130 umschließt die thermoelektrische Folie 120 umfangsmäßig. Somit ist die thermoelektrische Folie 120 zwischen der Wärmespeichereinrichtung 110 und der Wärmesenkeneinrichtung 130 angeordnet. Die Wärmesenkeneinrichtung 130 ist ausgebildet, um eine thermische Anbindung der Vorrichtung an ein umgebendes Medium, beispielsweise Luft, zu ermöglichen.
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Anders ausgedrückt umfasst die Vorrichtung einen thermoelektrischen Generator (TEG) in Verbindung mit einem Phasenänderungsmaterial (Phase Changing Material, von PCM) als Energiespeicher. Das Phasenänderungsmaterial, z. B. Paraffin, der Wärmespeichereinrichtung 110 ist konstruktiv so an dem Auspuffrohr 190 im Abgasstrang angebracht, dass es während des Fahrbetriebes des Fahrzeugs aufgeheizt wird und somit in den flüssigen Zustand übergeht. Die Phasengleichgewichtstemperatur kann dabei möglichst hoch sein, ebenso die spezifische Wärmekapazität des Phasenüberganges. In möglichst gutem thermischen Kontakt zum Phasenänderungsmaterial der Wärmespeichereinrichtung 110 wird ein thermoelektrischer Generator bzw. die thermoelektrische Folie 120 angebracht, deren heiße Seite das Phasenänderungsmaterial darstellt. Auf der von dem Phasenänderungsmaterial abgewandten Seite der thermoelektrischen Folie 120 ist diese an die Wärmesenkeneinrichtung 130 gekoppelt, die sich zunächst auf Umgebungstemperatur befindet. Auch wenn es in 1 nicht dargestellt ist, kann sich die von dem Phasenänderungsmaterial abgewandte Seite der thermoelektrischen Folie 120 auch in Kontakt mit der Umgebungsluft befinden.
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1 zeigt ein Grundprinzip einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Wärmespeicherung auf der warmen Seite der TE-Fläche bzw. TE-Folie 120. Um das Auspuffrohr 190 ist der Mantelraum bzw. die Wärmespeichereinrichtung 110 angeordnet, die mit PCM gefüllt ist. An diesen PCM-Mantelraum schließt sich als ringförmige Fläche der thermoelektrische Generator bzw. TE-Folie 120 an. Außen folgt eine kühlende Ringfläche in Gestalt der Wärmesenkeneinrichtung 130. Diese kann beispielsweise mit Luft oder Wasser gekühlt und mit zweckmäßigen Einrichtungen zur Verbesserung der Wärmeabgabe, wie beispielsweise Kühlrippen, Wärmetauscher, etc., ausgestattet sein, auch wenn dies in 1 nicht dargestellt ist. Der Schmelzpunkt des PCM kann bei dieser Ausführung vorteilhaft möglichst nahe unter einer üblichen Betriebstemperatur im Auspuffrohr liegen. Die erfindungsgemäße Stromgeneration nach Abstellen eines Motors des Fahrzeugs und der damit fehlenden Wärmequelle aus den Auspuffgasen ist im Wesentlichen durch die PCM-Masse in der Wärmespeichereinrichtung 110 bestimmt. 1 zeigt somit eine Realisierung eines thermoelektrischen Generators an einem Auspuffrohr mittels Phasenänderungsmaterial 110, Wärmesenke 130 und thermoelektrischer Folie 120.
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2 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung zum thermoelektrischen Erzeugen von Energie für ein Fahrzeug, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorrichtung thermisch mit einem Fahrzeugteil gekoppelt ist. Die in 2 dargestellte Vorrichtung entspricht weitgehend der Vorrichtung aus 1 mit der Ausnahme, dass in 2 die Wärmespeichereinrichtung der Vorrichtung einen ersten Abschnitt 110 und einen zweiten Abschnitt 210 aufweist und die Vorrichtung zusätzlich eine Isoliereinrichtung 240 sowie eine Wärmeleiteinrichtung 250 in Gestalt eines Wärmerohres aufweist. Des Weiteren sind in 2 die Abgriffspunkte für die elektrische Spannung nicht dargestellt.
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Die Wärmespeichereinrichtung weist hierbei den ersten Abschnitt 110, welcher der Wärmespeichereinrichtung 110 aus 1 entspricht, und den zweiten Abschnitt 210 auf, welcher von dem Auspuffrohr 190 weiter beanstandet ist als der erste Abschnitt 110. Der erste Abschnitt 110 und der zweite Abschnitt 210 der Wärmespeichereinrichtung sind mittels der Wärmeleiteinrichtung bzw. des Wärmerohres 250 thermisch miteinander gekoppelt. Anders ausgedrückt ist das Phasenänderungsmaterial des ersten Abschnitts 110 der Wärmespeichereinrichtung mittels der Wärmeleiteinrichtung 250 thermisch mit dem Phasenänderungsmaterial des zweiten Abschnitts 210 der Wärmespeichereinrichtung gekoppelt. Die Isoliereinrichtung 240 ist die Wärmeleiteinrichtung 250 sowie den zweiten Abschnitt 210 der Wärmespeichereinrichtung umgebend angeordnet. Die Isoliereinrichtung 240 ausgebildet, um die Wärmeleiteinrichtung 250 sowie den zweiten Abschnitt 210 der Wärmespeichereinrichtung thermisch zu isolieren. Die thermoelektrische Folie 120 und die Wärmesenkeneinrichtung 130 sind ausgebildet, um einen thermischen Kontakt zwischen einem ersten Ende der Wärmeleiteinrichtung 250 und dem Phasenänderungsmaterial in dem ersten Abschnitt 110 der Wärmespeichereinrichtung zu ermöglichen. Ein zweites Ende der Wärmeleiteinrichtung 250 thermisch mit dem Phasenänderungsmaterial des zweiten Abschnitts 210 der Wärmespeichereinrichtung gekoppelt
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2 zeigt somit ein Ausführungsbeispiel zur Erhöhung der PCM-Speichermasse. In einem Behälter mit für eine spezielle Anwendung definierbarer Form, welcher den zweiten Abschnitt 210 der Wärmespeichereinrichtung umfasst, wird zusätzliches PCM bevorratet. Beispielhaft weist der Behälter, welcher den zweiten Abschnitt 210 der Wärmespeichereinrichtung umfasst, in 2 einen rechteckigen Querschnitt auf. Der thermische Kontakt zur heißen Seite der TE-Folie 120 wird kann mittels Wärmeleitelementen bzw. der Wärmeleiteinrichtung 250 hergestellt. Diese kann ein einfaches Blech, z. B. aus Kupfer, oder beispielsweise eines oder mehrere Wärmerohre bzw. Heatpipes aufweisen. Der zweite Abschnitt der Wärmespeichereinrichtung 210 kann auch als Bypass-Speicher bezeichnet werden.
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3 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung zum thermoelektrischen Erzeugen von Energie für ein Fahrzeug, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorrichtung thermisch mit einem Fahrzeugteil gekoppelt ist. Die in 3 dargestellte Vorrichtung entspricht weitgehend der Vorrichtung aus 2 mit der Ausnahme, dass in 3 die Wärmespeichereinrichtung lediglich den zweiten Abschnitt 210 aufweist, dass der Behälter, welcher den zweiten Abschnitt 210 der Wärmespeichereinrichtung umfasst, durch ein zusätzlich verlegtes Bypassrohr 390 mit einem kreisförmigen Querschnitt zur Beinhaltung des Latentwärmespeichermaterials gebildet ist, dass die thermoelektrische Folie 120 direkt angrenzend an das Auspuffrohr 190 sowie angrenzend an das Bypassrohr 390 zwischen dem Bypassrohr 390 und der Isoliereinrichtung 240 angeordnet ist, dass die Wärmeleiteinrichtung 250 ausgebildet ist, um das Auspuffrohr 190 und das Bypassrohr 390 thermisch miteinander zu koppeln, und dass die Wärmesenkeneinrichtung 130 zusätzlich die äußerste Lage um das Bypassrohr 390 bildet.
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3 zeigt somit ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf den PCM-Mantelraum 110 um das Auspuffrohr 190 verzichtet wird. Die Wärmespeicherung erfolgt in diesem Fall nur im Bypassbehälter 390, der z. B. ein parallel zum Auspuffrohr 190 verlegtes Rohr 390 sein kann. Die Mantelfläche des Bypassbehälters bzw. Bypassrohres 390 ist ebenfalls mit TE-Folie 120 belegt und wird von außen gekühlt. In dieser Ausgestaltung ist die Wärme abgebende Fläche der Vorrichtung vergrößert.
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4 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung zum thermoelektrischen Erzeugen von Energie für ein Fahrzeug, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorrichtung thermisch mit einem Fahrzeugteil gekoppelt ist. Gezeigt sind das Fahrzeugteil in Gestalt eines Auspuffrohres 190 sowie die Vorrichtung, die eine Wärmespeichereinrichtung 210 mit einem Latentwärmespeichermaterial bzw. Phasenänderungsmaterial, eine Isoliereinrichtung 240, eine Wärmeleiteinrichtung 250, eine thermoelektrische Generatoreinrichtung bzw. einen thermoelektrischen Generator 420 in Gestalt einer Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen, eine erste Wärmeführungseinrichtung 460 in Gestalt einer Mehrzahl von Wärmeleitblechen, eine zweite Wärmeführungseinrichtung 470 in Gestalt einer Mehrzahl von Wärmeleitblechen und eine weitere Wärmeführungseinrichtung 480 in Gestalt einer Mehrzahl von Wärmeleitblechen aufweist.
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Im Folgenden wird die Anordnung der Elemente in 4 beschrieben. Das Auspuffrohr 190 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Bei dem Auspuffrohr 190 kann es sich um das Auspuffrohr aus einer der 1 bis 3 handeln. Die weitere Wärmeführungseinrichtung 480 in Gestalt der Mehrzahl von Wärmeleitblechen ist innerhalb eines Umfangs des Auspuffrohres 190 angeordnet. Dabei ist die Mehrzahl von Wärmeleitblechen parallel zueinander innerhalb des Auspuffrohres 190 angeordnet. An das Auspuffrohr 190 radial nach außen angrenzend ist gemäß dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel die Isoliereinrichtung 240 angeordnet. Dabei ist die Isoliereinrichtung 240 als eine das Auspuffrohr 190 umfangsmäßig umschließende Schicht ausgebildet. Die Isoliereinrichtung 240 ist ausgebildet, um einen thermischen Kontakt zwischen einem ersten Ende der Wärmeleiteinrichtung 250 und dem Auspuffrohr 190 zu ermöglichen. Die Wärmeleiteinrichtung 250 ist ausgebildet, um einen thermischen Kontakt zwischen dem Auspuffrohr 190 und der Wärmespeichereinrichtung 210 zu ermöglichen. Hierbei ist ein zweites Ende der Wärmeleiteinrichtung 250 thermisch mit der der Wärmespeichereinrichtung 210 gekoppelt. Bei der Wärmeleiteinrichtung 250 kann es sich um die Wärmeleiteinrichtung aus einer der 1 bis 3 handeln.
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Die Wärmespeichereinrichtung 210 weist das Latentwärmespeichermaterial bzw. Phasenänderungsmaterial auf. Bei der Wärmespeichereinrichtung 210 kann es sich um eine Wärmespeichereinrichtung ähnlich dem zweiten Abschnitt der Wärmespeichereinrichtung aus 2 handeln. Die Wärmespeichereinrichtung 210 ist mittels der ersten Wärmeführungseinrichtung 460 thermisch mit der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 gekoppelt. Somit ist die Wärmespeichereinrichtung 210 zwischen dem Auspuffrohr 190 und der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 angeordnet. Die thermoelektrische Generatoreinrichtung 420 ist somit auf einer ersten Seite mittels der ersten Wärmeführungseinrichtung 460 thermisch mit der Wärmespeichereinrichtung 210 gekoppelt. Auf einer zweiten Seite ist die thermoelektrische Generatoreinrichtung 420 mittels der zweiten Wärmeführungseinrichtung 470 thermisch mit einer in 4 nicht dargestellten Wärmesenke gekoppelt. Die Wärmesenkeneinrichtung ist ausgebildet, um eine thermische Anbindung der Vorrichtung an ein umgebendes Medium, beispielsweise Luft, zu ermöglichen.
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Die erste Wärmeführungseinrichtung 460 und die zweite Wärmeführungseinrichtung 470 können im Bereich der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 ausgebildet sein, um ineinander zu greifen bzw. zu überlappen. Somit ergibt sich eine abwechselnde bzw. sich periodisch wiederholende Abfolge von erster Wärmeführungseinrichtung 460 bzw. einem der Wärmeleitbleche der ersten Wärmeführungseinrichtung 460, thermoelektrischer Generatoreinrichtung 420 bzw. einem der Elemente der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 sowie zweiter Wärmeführungseinrichtung 470 bzw. einem der Wärmeleitbleche der zweiten Wärmeführungseinrichtung 470. Dabei ist ein einzelnes Element der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 in einem Ineinandergriff- bzw. Überlappungsbereich der Wärmeführungseinrichtungen 460 und 470 zwischen einem Wärmeleitblech der ersten Wärmeführungseinrichtung 460 sowie einem Wärmeleitblech der zweiten Wärmeführungseinrichtung 470 angeordnet.
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4 zeigt eine Bypassvariante, bei der die thermoelektrische Generatoreinrichtung 420 entfernt von dem Auspuffrohr 190 angeordnet ist. Hierbei ist das Auspuffrohr 190 mittels der Isoliereinrichtung 240 wärmeisoliert, damit möglichst viel Wärmeenergie den Weg über die Wärmeleiteinrichtung 250 der Wärmespeichereinrichtung 210 nimmt. 4 zeigt weiterhin eine Ausgestaltung mit flachen TE-Elementen der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 zwischen abwechselnd angeordneten Wärmeleitblechen der Wärmeführungseinrichtungen 460 und 470. Die warmen Seiten der TE-Elemente der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 sind über Wärmeleitbleche der ersten Wärmeführungseinrichtung 460 mit der Wärmespeichereinrichtung 210 verbunden. An den kalten Seiten der TE-Elemente der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 wird der Wärmestrom über die Wärmeleitbleche der zweiten Wärmeführungseinrichtung 470 einer Wärmesenkeneinrichtung zugeführt. Zur Verbesserung der Wärmeaufnahme aus dem Auspuffgas sind im Inneren des Auspuffrohres 190 Wärmeleitbleche der weiteren Wärmeführungseinrichtung 480 angeordnet, welche die Wärmeübergangsfläche erhöhen.
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5 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung zum thermoelektrischen Erzeugen von Energie für ein Fahrzeug, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorrichtung thermisch mit einem Fahrzeugteil gekoppelt ist. Die in 5 dargestellte Vorrichtung entspricht weitgehend der Vorrichtung aus 4 mit der Ausnahme, dass in 5 keine Isoliereinrichtung um das Auspuffrohr 190 herum vorgesehen ist, damit das Auspuffrohr 190 nach Abstellen des Motors schnell abkühlen kann und als Wärmesenke dienen kann, dass die Wärmeleiteinrichtung 250 thermisch mit der ersten Wärmeführungseinrichtung 460 und mittels dieser mit der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 gekoppelt ist, und dass anstelle der Wärmespeichereinrichtung aus 4 lediglich eine Wärmespeichereinrichtung 510 vorgesehen ist, die mittels der zweiten Wärmeführungseinrichtung 470 thermisch mit der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 gekoppelt ist. Des Weiteren sind in 5 Abgriffspunkte für die elektrische Spannung an der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 dargestellt.
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Im Unterschied zu den 1 bis 4 ist in 5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem die Wärmespeichereinrichtung 510 auf der kalten Seite der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 angeordnet ist. Während des Betriebs des Motors fließt die Wärme von dem Auspuffrohr 190 mittels der Wärmeleiteinrichtung 250 sowie der ersten Wärmeführungseinrichtung zu der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 und erzeugt solange, wie die Temperatur in der Wärmespeichereinrichtung 510 unterhalb einer Temperatur des Auspuffrohrs 190 liegt, eine Spannung mit einer ersten Polung an der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420. Nach Abstellen des Motors und Abkühlen des Auspuffrohres 190 unter die Temperatur in der Wärmespeichereinrichtung 510 fließt die Wärme in umgekehrte Richtung und generiert eine Spannung mit umgekehrter Polung.
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6 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung zum thermoelektrischen Erzeugen von Energie für ein Fahrzeug, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorrichtung thermisch mit einem Fahrzeugteil gekoppelt ist. Die in 6 dargestellte Vorrichtung entspricht weitgehend der Vorrichtung aus 4 mit der Ausnahme, dass in 6 keine Isoliereinrichtung um das Auspuffrohr 190 herum vorgesehen ist, damit das Auspuffrohr 190 nach Abstellen des Motors schnell abkühlen kann und als Wärmesenke dienen kann, und dass eine weitere Wärmespeichereinrichtung 510 vorgesehen ist, die mittels der zweiten Wärmeführungseinrichtung 470 thermisch mit der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 gekoppelt ist.
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6 zeigt somit ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung mit der Wärmespeichereinrichtung 210 auf der im Betrieb warmen Seite der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420 und der weiteren Wärmespeichereinrichtung 510 auf der im Betrieb kalten Seite der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 420. Nach Abstellen des Motors und Abkühlen des Auspuffrohres 190 und der Wärmespeichereinrichtung 210 kehrt sich der Wärmestrom um und fließt von der weiteren Wärmespeichereinrichtung 510 zu der Wärmespeichereinrichtung 210.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 110
- Wärmespeichereinrichtung bzw. erster Abschnitt
- 120
- thermoelektrische Folie
- 130
- Wärmesenkeneinrichtung
- 190
- Fahrzeugteil bzw. Auspuffrohr
- 210
- Wärmespeichereinrichtung bzw. zweiter Abschnitt
- 240
- Isoliereinrichtung
- 250
- Wärmeleiteinrichtung
- 390
- Bypassrohr
- 420
- thermoelektrische Generatoreinrichtung
- 460
- erste Wärmeführungseinrichtung
- 470
- zweite Wärmeführungseinrichtung
- 480
- weitere Wärmeführungseinrichtung
- 510
- weitere Wärmespeichereinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 602005001838 T2 [0003]
