WO2013037689A1 - Thermoelectric generator having a compact design - Google Patents

Thermoelectric generator having a compact design Download PDF

Info

Publication number
WO2013037689A1
WO2013037689A1 PCT/EP2012/067360 EP2012067360W WO2013037689A1 WO 2013037689 A1 WO2013037689 A1 WO 2013037689A1 EP 2012067360 W EP2012067360 W EP 2012067360W WO 2013037689 A1 WO2013037689 A1 WO 2013037689A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
opening
exhaust gas
channel
annular channel
flows
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/067360
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Boris Mazar
Andreas Bauknecht
Matthias Linde
Original Assignee
Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh
Bayerische Motoren Werke Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh, Bayerische Motoren Werke Ag filed Critical Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh
Publication of WO2013037689A1 publication Critical patent/WO2013037689A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

Definitions

  • the present invention relates to a device for converting thermal energy of an exhaust gas into electrical energy, that is to say in particular a thermoelectric generator, and to the use of such a device in a motor vehicle.
  • Thermoelectric modules can be used individually or in a plurality as a thermoelectric generator, which generates electrical energy from a temperature gradient and the resulting heat flow. The generation of electrical energy is due to the so-called Seebeck effect.
  • Thermoelectric modules are constructed of electrically interconnected p-doped and n-doped thermoelectric materials.
  • the thermoelectric materials have a so-called hot side and an oppositely arranged cold side, via which they are each electrically conductively connected in alternation with adjacently arranged further thermoelectric materials.
  • the hot side is thermally conductively connected to a wall of a thermoelectric module, which is acted upon by a hot medium. Accordingly, the cold side of the thermoelectric material with another wall of the thermoelectric module in a thermally conductive compound, which is acted upon by a cold medium.
  • thermoelectric generators are used in particular in motor vehicles, but also in other technical fields in which a temperature gradient can be exploited by the arrangement of thermoelectric see generators for generating electrical energy.
  • thermoelectric generators In the integration of thermoelectric generators in higher-level units, especially in motor vehicles, high demands to fulfill an efficient use of space. Thermoelectric generators are accordingly to build as small as possible, while ensuring high efficiency in the conversion of thermal energy into electrical energy.
  • the object of the present invention is therefore to at least partially solve the problems described with reference to the prior art.
  • a device for converting thermal energy of an exhaust gas into electrical energy is to be specified, which on the one hand has a compact design, but on the other hand ensures high efficiency in the conversion of thermal energy.
  • the use of the device according to the invention in a motor vehicle is proposed.
  • the device according to the invention for converting thermal energy of an exhaust gas into electrical energy has at least one channel running along an axis (in particular a central axis) in an axial direction and a first annular channel surrounding the channel.
  • the first annular channel has a first inner circumferential surface and a first outer circumferential surface, wherein at least one thermoelectric module is arranged between the first inner circumferential surface and the first outer circumferential surface.
  • the exhaust gas flows in the axial direction into the channel and is deflected there in a radial direction.
  • the exhaust gas flows from the channel into the first annular channel at least one first opening in the first inner peripheral surface.
  • the exhaust gas now flows around the thermoelectric module in a circumferential direction and exits from the first annular channel via at least one second opening in the first outer peripheral surface.
  • the channel / the device has a first open end side and a second (at least temporarily) closed end side, wherein the exhaust gas flows into the channel via the first open end side. Due to the closed second end face, the exhaust gas is forced to leave the channel in the radial direction and to flow into a first annular channel which in particular surrounds the channel in its entirety.
  • the device is round, elliptical or polygonal in the circumferential direction.
  • the axial inflow of the exhaust gas into the device or into the channel and the subsequent deflection in a radial direction enables a compact construction of the device.
  • a transverse flow of the at least one thermoelectric module is substantially avoided.
  • the exhaust gas enters the first annular channel via the first opening in the radial direction and is distributed in the first annular channel over the cross section of the first annular channel in the radial direction.
  • the exhaust gas then flows in the circumferential direction toward the second opening and acts on the at least one thermoelectric module.
  • the at least one thermoelectric module is correspondingly not flowed over transversely but is acted upon along its extent by the exhaust gas.
  • a transverse flow of thermoelectric modules means that they can not be uniformly acted upon by exhaust gas. Accordingly, a side of a thermoelectric module facing away from the inflow of the exhaust gas would not be acted upon directly by the exhaust gas, so that an uneven temperature profile would occur at a cross section of the thermoelectric module.
  • thermoelectric elements arranged on the opposite side see materials are subjected to a lesser extent of exhaust gas.
  • a corresponding nonuniform loading may cause the efficiency of the thermoelectric module to decrease because the thermoelectric materials disposed within the thermoelectric module are exposed to a non-uniform temperature profile.
  • At least one (further) second annular channel is arranged between the channel and the first annular channel, into which the exhaust gas flows, starting from the channel.
  • This also means, in particular, that the exhaust gas only enters the first annular channel itself after leaving the (inner) second annular channel through the first opening in the first inner circumferential surface of the first annular channel.
  • This second annular channel is in particular separated from the channel (spatially) by a second internal peripheral surface permeable to the exhaust gas.
  • the inner peripheral surface can have, for example, a large number of perforations, channels, pores, etc., and this can likewise be achieved with a one-piece component (eg a type of tube) or with a (complex) flow distributor (such as, for example). a kind of honeycomb body with channels).
  • the exhaust gas enters in particular over the entire second inner circumferential surface in the second annular channel (evenly distributed in the circumferential direction and / or axial direction) and flows from there via the first opening in the first annular channel.
  • the second inner peripheral surface is formed by a (substantially) radially permeable honeycomb body having a plurality of flow paths (or channels) for the exhaust gas.
  • the first opening extends, in particular in the axial direction, over substantially the entire length of the first annular channel.
  • the first opening in the axial direction is a through opening, e.g. B. in the manner of a slot.
  • the first opening, along the axial direction has circumferentially extending connections. ments and expansions, by which the exhaust gas flow is controlled at the passage of the first opening.
  • the first opening extends, starting from the axis, in particular over an angular range of at most 2 ° , in particular of at most 5 ° .
  • the first opening is in particular designed so that the entire, flowing into the channel, exhaust gas flow through the first opening without significant flow losses in the first annular channel can flow.
  • the first opening therefore preferably has a correspondingly designed opening cross-section.
  • At least one thermoelectric module is preferably arranged in the first annular channel and extends (exclusively or substantially) in the circumferential direction along the first inner peripheral surface.
  • the thermoelectric module is arranged in particular spaced from the first inner peripheral surface and preferably also from the first outer peripheral surface, so that the thermoelectric module can be acted upon on its outer surface of the exhaust gas.
  • a plurality of thermoelectric modules are arranged side by side in the axial direction in the first annular channel.
  • further thermoelectric modules are arranged in the radial direction outwards, within the first annular channel.
  • the exhaust gas flows via the first opening, which extends in the circumferential direction only over a small angular range, into the first annular channel and possibly flows through the thermoelectric modules extending in this (small) region in the circumferential direction in a transverse flow.
  • the exhaust gas is distributed in the first annular channel and then flows in the circumferential direction between the first inner peripheral surface and the first outer peripheral surface in the direction of the second opening.
  • the thermoelectric modules are overflowed in the direction of their extension and a uniform loading of the outer surface of the thermoelectric modules by the exhaust gas is established.
  • a compact thermoelectric generator can be provided by the device.
  • thermoelectric modules are overflowed in the direction of their extension by the hot medium, here an exhaust gas, so that a uniform temperature on the outer surface (hot side) is present and consequently the thermoelectric materials are used efficiently in terms of their conversion of thermal energy into electrical energy.
  • the thermoelectric materials are used in the circumferential direction of the device and along the extension of the thermoelectric modules, so that the thermal energy of the exhaust gas flow cooling in the circumferential direction can be used efficiently.
  • the at least one thermoelectric module is tubular or annular in shape and extends correspondingly (exclusively or substantially) in the circumferential direction through the first annular channel.
  • the outer surface of the thermoelectric module is used here as the so-called hot side of the thermoelectric module.
  • thermoelectric material In the interior of the tubular or annular thermoelectric module, a line extending in the circumferential direction of the device is accordingly arranged for a cold medium, so that the cold side is realized there. Between the cold side and the hot side, the thermoelectric materials are arranged, the z. B. can be arranged annularly one behind the other in the circumferential direction of the device. Other embodiments of thermoelectric materials are also conceivable.
  • the exhaust gas flows out of the first annular passage via the second opening in the first outer circumferential surface and continues along an exhaust gas line.
  • the second opening also extends in particular over the entire length of the device, wherein in the circumferential direction of the device as well here only an extension over an angular range of at most 2 ° , in particular 5 ° is provided.
  • the design of the second opening in the manner of a slot or the like is particularly preferred.
  • the further statements regarding the first opening apply accordingly to the second opening.
  • the first opening and the second opening are arranged offset by 180 ° to each other.
  • the exhaust gas enters the first annular channel via the at least one first opening and accordingly flows in the circumferential direction toward the second opening.
  • the exhaust gas starting from the first opening, flows in each circumferential direction opposite to the second opening.
  • An offset of 180 ° means in particular that the openings are preferably arranged (at least temporarily) on opposite sides of the first annular channel. For the exhaust gas flow this means that two equally long, substantially semicircular, flow paths are formed around the thermoelectric modules.
  • the at least one thermoelectric module extends substantially in the circumferential direction in the first annular channel, wherein it preferably completely fills the first annular channel over an angular range of almost 360 ° in the circumferential direction.
  • a plurality of thermoelectric modules can also be arranged one behind the other in the circumferential direction.
  • At least one third opening is provided in the first inner peripheral surface through which the exhaust gas enters the first annular channel from the channel, the third opening being arranged (in the radial direction) in alignment with the second opening.
  • this third opening is a kind of bypass for the exhaust gas, so that an overflow of the at least one thermoelectric module by the exhaust gas largely avoided can be.
  • the exhaust gas thus flows via the third opening directly to the second opening and thus passes through the first annular channel in the radial direction over the shortest possible path, ie in particular without any significant contact with the thermoelectric see materials.
  • no thermoelectric module is arranged along this route, so that the exhaust gas can flow unhindered from the second opening in the direction of the third opening.
  • the third opening can be opened and closed.
  • a controllable closing element is provided for this purpose, which in particular can steplessly close and open the third opening.
  • the first opening can be opened and closed, wherein at closing of the third opening at the same time the first opening is opened.
  • this opening and closing of the first opening and opening and closing of the third opening can be made possible by a single closing element. Accordingly, if the first opening is closed and at the same time the third opening is opened, the exhaust gas can flow via the third opening directly toward the aligned second opening in the first outer circumferential area.
  • the at least one thermoelectric module can be bypassed (at least largely).
  • the exhaust gas flows into the first annular channel and in the circumferential direction through the first annular channel toward the second opening.
  • the exhaust gas ström can be brought into controlled contact with the at least one thermoelectric module.
  • a part of the exhaust gas flow through the bypass between the third opening and second opening and another part of the exhaust gas flow along the thermoelectric modules between the first opening and second opening.
  • the at least one thermoelectric module is designed annular and extends in the circumferential direction at least from the first opening to the second opening.
  • at least one line for a cold medium is correspondingly provided, so that a corresponding temperature gradient is provided between the outer surface and the line of the thermoelectric module.
  • the line of the at least one thermoelectric module is guided in particular at at least one point of the device to the outside, so that there is a connection (inlet and / or return) is provided to a cooling device.
  • a motor vehicle which has at least one internal combustion engine and an exhaust system and at least one device according to the invention.
  • the use of the device proposed here is not limited to motor vehicles.
  • the device can also be provided for other applications in which a temperature gradient is present, which can be used to convert thermal energy into electrical energy.
  • a temperature gradient is present, which can be used to convert thermal energy into electrical energy.
  • FIGS. show particularly preferred embodiments, to which the invention is not limited. Like reference numerals are used in the figures for the same items. They show schematically:
  • FIG. 1 shows a device in a side view in cross section
  • 2 shows the device of FIG. 1 in a front view in cross section
  • FIG. 4 shows the further device according to FIG. 3 in a front view in a cross section and in a first state
  • FIG. 5 shows the further device according to FIG. 3 in a front view and in a second state
  • FIG. 4 shows the further device according to FIG. 3 in a front view in a cross section and in a first state
  • FIG. 5 shows the further device according to FIG. 3 in a front view and in a second state
  • FIG. 6 shows the further device according to FIG. 3 in a front view and in a third state
  • FIG. 7 a first opening in a first inner peripheral surface
  • FIG. 8 a motor vehicle.
  • Fig. 1 shows a device 1 in a side view in cross section. The device 1 extends along an axis 13.
  • An exhaust gas 2 flows via a first end face 26 into the channel 4 of the device 1.
  • the channel 4 on the second end face 27 is designed to be closed, so that the exhaust gas 2 is deflected in the channel 4 in a radial direction 5.
  • the exhaust gas 2 flows via a first opening 6 into a first annular channel 7 which is delimited by a first inner circumferential surface 8 and a first outer peripheral surface 9 and by the first end side 26 and the second end side 27 of the device 1.
  • the first opening 6 is arranged on the first inner circumferential surface 8.
  • thermoelectric modules 10 are arranged in the first annular channel 7 . These extend in the first annular channel 7 along the first inner peripheral surface 8 around the channel 4 around.
  • the thermoelectric modules 10 are of tubular construction and have an outer surface 28 and a conduit 23. The outer surface 28 is covered by the exhaust gas 2 in the first annular channel 7. aufschlagt. Through line 23, a cold medium 22 flows, so that a temperature gradient between outer surface 28 and line 23 is formed.
  • Thermoelectric materials 31 are arranged within the thermoelectric module 10, so that the heat flow resulting from the temperature gradient and flowing via the thermoelectric materials 31 can be converted into electrical energy. If necessary, the thermoelectric modules 10 are flowed transversely by the exhaust gas 2 in the region of the first opening 6.
  • thermoelectric modules 10 are uniformly applied via its outer surface 28 with exhaust gas 2, as well as the exhaust gas 2 in the circumferential direction flows through the first annular channel 7.
  • a second opening 12 is provided on the first outer circumferential surface 9, via which the exhaust gas 2 leaves the device 1.
  • FIG. 2 shows the device 1 according to FIG. 1 in a frontal view, starting from the first end face 26 in cross section.
  • the channel 4 is arranged centrally, into which the exhaust gas 2 flows, starting from the first end face 26 in the axial direction 3.
  • the exhaust gas 2 is diverted and flows in the radial direction 5 via the first opening 6 in the first annular channel 7 a.
  • the exhaust gas 2 is deflected again and flows in the circumferential direction 11 along the first annular channel 7 toward the second opening 12, which is arranged in the first outer peripheral surface 9 of the device 1.
  • the thermoelectric see modules 10 are here annular, but divided in the circumferential direction 11, shown, wherein they extend over an angular range 18 of nearly 360 ° .
  • thermoelectric modules 10 each having an extension 34 from the first opening 6 to the second opening 12 are provided.
  • One through Break 37 is arranged in alignment in the radial direction 5 to the first opening 6, so that the exhaust gas 2 is freely distributed in the radial direction 5 in the first annular channel 7.
  • the exhaust gas 2 does not flow transversely through the thermoelectric modules 10 (see embodiments of FIG. 1), since an opening 37 is provided here in the thermoelectric module 10.
  • the thermoelectric modules 10 in the circumferential direction 11 may be made in one or more parts, so that breakthroughs 37 may be present in the radial direction 5 for the exhaust gas 2.
  • the first opening 6 and the second opening 12 extend in the circumferential direction 11 in each case over an angular range 18.
  • Fig. 3 shows a further device 1 in a side view in cross section.
  • the exhaust gas 2 enters via a first end face 26 in the channel 4 of the device 1 a. There, the exhaust gas 2 is deflected in the radial direction 5 and flows through a second inner circumferential surface 33 and a plurality of, at least partially mutually separated running, flow paths 32 in a second annular channel 29 a.
  • the flow paths 32 can be formed, in particular, by a honeycomb body 25, which can flow through substantially radially, and which is preferably designed with a catalytic coating for converting pollutants in the exhaust gas 2.
  • thermoelectric modules 10 The arrangement of a corresponding radially through-flowable honeycomb body 25 causes the exhaust gas 2 further heated before entering the first annular channel 7 and before acting on the thermoelectric modules 10 and correspondingly increased thermal energy of the exhaust gas can be converted by the thermoelectric modules 10.
  • the exhaust gas 2 is collected after flowing through the flow paths 32 in the second annular channel 29 and flows from there via a first opening 6 in the first annular channel 7 a.
  • thermoelectric modules 10 are arranged accordingly, which are now overflowed by the exhaust initially in the radial direction 5 and then in the circumferential direction 11.
  • the exhaust gas 2 flows through the first annular channel 7 in the circumferential direction 11 and leaves the device 1 via a second opening 12.
  • the first opening 6 and the Second openings 12 extend in the axial direction 3 over the entire length 30 of the device. 1
  • FIG. 4 shows the further device according to FIG. 3 in a front view in a first state.
  • the exhaust gas 2 flows into the inner channel 4 via a first end face 26 and is deflected there in a radial direction 5.
  • the channel 4 is surrounded by a honeycomb body 25 which can be flowed through radially and has a multiplicity of essentially radially extending flow paths 32 flows via the radially through-flowable honeycomb body 25 in a second annular channel 29 a.
  • the exhaust gas 2 is collected and flows through the first opening 6 in the first annular channel 7.
  • the exhaust gas 2 is distributed in the radial direction 5 over the entire cross-section and flows from there, starting in the circumferential direction 11 towards the second Opening 12.
  • a third opening 14 is provided, which is arranged offset by an angle of 180 ° to the first opening 6.
  • the third opening 14 is also arranged in alignment in the radial direction 5 to the second opening 12.
  • a closing element 19 is provided here that is designed to simultaneously close and open the first opening 6 and the third opening 14 suitable.
  • FIG. 5 shows the further device 1 according to FIG. 3 in a front view in a second state.
  • the closing element 19 is arranged such that the first opening 6 and the third opening 14 are each partially opened.
  • the exhaust gas 2 flows in accordance with a first partial exhaust gas flow through the first opening 6 in the first annular channel 7 a.
  • a further partial exhaust gas flow also flows via the third opening 14 into the first annular channel 7, from where it flows in the radial direction 5 directly to the second opening 12 and at the same time acts on the thermoelectric modules 10 only to a very small extent. Only the partial exhaust gas flow, which flows via the first opening 6 into the first annular channel 7, acts on the thermoelectric modules 10 and flows through the first annular channel 7 in the circumferential direction 11 toward the second opening 12.
  • FIG. 1 shows the further device 1 according to FIG. 3 in a front view in a second state.
  • the closing element 19 is arranged such that the first opening 6 and the third opening 14 are each partially opened.
  • the exhaust gas 2 flows in accordance with a
  • the closing element 19 completely closes the first opening 6 and at the same time the third opening 14 is fully opened.
  • a bypass is provided, through which the entire exhaust gas 2, starting from the channel 4 via the third opening 14 toward the second opening 12 and thus flows out of the device 1.
  • the closing element 19 is designed here as a sliding element, which is arranged in particular on the first inner circumferential surface 8 and correspondingly designed to be displaceable in the circumferential direction 11, so that the first opening 6 and the third opening 14 can be closed and opened alternately and alternately.
  • the 7 shows a first opening 6 in a first inner peripheral surface 8.
  • the first opening 6 extends substantially over the entire length 30 of the device 1.
  • the first opening 6 has constrictions 38 extending alternately in the circumferential direction 11 and extensions 39 on.
  • FIG. 8 shows schematically a motor vehicle 20 with an internal combustion engine 16 and an exhaust system 17, wherein a device 1 is arranged in the exhaust system 17. Furthermore, a cooling 21 is provided which acts on the one hand on the internal combustion engine 16 and on the other hand on the device 1 with a cold medium 22. Of course, several cooling 21 may be provided, so that the device 1 and the internal combustion engine 16 are each supplied with a cold medium 22 independently.
  • the operation of the device 1 and possibly also in communication with the cooling 21 and / or the internal combustion engine 16, a control unit 15 can be adapted to the current operating situations.
  • an exhaust gas 2 flows through the exhaust system 17 in the direction of the device 1. After flowing through the device 1 and multiple deflection of the exhaust gas 2, the exhaust gas 2 is discharged to the environment. Within the device 1, the thermal energy of the exhaust gas 2 is at least partially converted into electrical energy and can be supplied according to electrical loads 24 in the motor vehicle 20 directly or else via electrical storage.

Abstract

Device (1) for converting thermal energy of an exhaust gas into electrical energy, having at least one duct (4) which runs along an axis (13) in an axial direction (3), and a first annular duct (7) which surrounds the duct (4) and which has a first inner circumferential face (8) and a first outer circumferential face (9). At least one thermoelectric module (10) is arranged between the first inner circumferential face (8) and the first outer circumferential face (9), wherein an exhaust gas (2) flows into the duct (4) in the axial direction (3) and is deflected there in a radial direction (5). The exhaust gas (2) flows, starting from the duct (4), into the first annular duct (7) via at least a first opening (6) in the first inner circumferential face (8), wherein the exhaust gas (2) flows around the thermoelectric module (10) in a circumferential direction (11) and emerges from the annular duct (7) via at least a second opening (12) in the first outer circumferential face (9).

Description

Thermoelektrischer Generator mit kompaktem Aufbau Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie eines Abgases in elektrische Energie, also insbesondere einen thermoelektrischen Generator, sowie den Einsatz einer solchen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug. Thermoelektrische Module können einzeln oder in einer Mehrzahl als thermoelektrischer Generator eingesetzt werden, der aus einem Temperaturgradienten und dem daraus resultierenden Wärmestrom elektrische Energie erzeugt. Die Erzeugung der elektrischen Energie erfolgt aufgrund des sogenannten Seebeck-Effekts. Thermoelektrische Module sind aus elektrisch miteinander verschalteten p-dotierten und n-dotierten thermoelektrischen Materialien aufgebaut. Die thermoelektrischen Materialien weisen eine sogenannte Heißseite und eine gegenüberliegend angeordnete Kaltseite auf, über die sie jeweils elektrisch leitend wechselweise mit benachbart angeordneten weiteren thermoelektrischen Materialien verbun- den sind. Die Heißseite ist dabei mit einer Wandung eines thermoelektrischen Moduls wärmeleitend verbunden, die mit einem heißen Medium beaufschlagt wird. Entsprechend ist die Kaltseite des thermoelektrischen Materials mit einer anderen Wandung des thermoelektrischen Moduls in wärmeleitender Verbindung, die mit einem kalten Medium beaufschlagt ist.  The present invention relates to a device for converting thermal energy of an exhaust gas into electrical energy, that is to say in particular a thermoelectric generator, and to the use of such a device in a motor vehicle. Thermoelectric modules can be used individually or in a plurality as a thermoelectric generator, which generates electrical energy from a temperature gradient and the resulting heat flow. The generation of electrical energy is due to the so-called Seebeck effect. Thermoelectric modules are constructed of electrically interconnected p-doped and n-doped thermoelectric materials. The thermoelectric materials have a so-called hot side and an oppositely arranged cold side, via which they are each electrically conductively connected in alternation with adjacently arranged further thermoelectric materials. The hot side is thermally conductively connected to a wall of a thermoelectric module, which is acted upon by a hot medium. Accordingly, the cold side of the thermoelectric material with another wall of the thermoelectric module in a thermally conductive compound, which is acted upon by a cold medium.
Derartige thermoelektrische Generatoren kommen insbesondere in Kraftfahrzeugen, aber auch in anderen technischen Gebieten zum Einsatz, in denen ein Temperaturgradient durch die Anordnung von thermoelektri- sehen Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie ausgenutzt werden kann. Such thermoelectric generators are used in particular in motor vehicles, but also in other technical fields in which a temperature gradient can be exploited by the arrangement of thermoelectric see generators for generating electrical energy.
Bei der Integration von thermoelektrischen Generatoren in übergeordnete Einheiten, insbesondere in Kraftfahrzeuge, sind hohe Anforderungen an eine effiziente Raumausnutzung zu erfüllen. Thermoelektrische Generatoren sind entsprechend möglichst kleinvolumig aufzubauen, wobei gleichzeitig eine hohe Effektivität bei der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie gewährleistet sein muss. In the integration of thermoelectric generators in higher-level units, especially in motor vehicles, high demands to fulfill an efficient use of space. Thermoelectric generators are accordingly to build as small as possible, while ensuring high efficiency in the conversion of thermal energy into electrical energy.
Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es demnach, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie eines Abgases in elektrische Energie angegeben werden, die einer- seits eine kompakte Bauform aufweist, andererseits aber eine hohe Effektivität in der Umwandlung der thermischen Energie gewährleistet. Darüber hinaus wird der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise mitei- nander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung weiter und führt ergänzende Ausführungsbeispiele der Erfindung an. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie eines Abgases in elektrische Energie weist zumindest einen, entlang einer Achse (insbesondere einer Mittelachse) in einer axialen Richtung verlaufenden, Kanal auf und einen den Kanal umgebenden ersten Ringkanal. Der erste Ringkanal weist eine erste innere Umfangsfläche und eine erste äußere Umfangsfläche auf, wobei zwischen der ersten inneren Umfangsfläche und der ersten äußeren Umfangsfläche mindestens ein thermo- elektrisches Modul angeordnet ist. Das Abgas strömt in der axialen Richtung in den Kanal ein und wird dort in eine radiale Richtung umgelenkt. Das Abgas strömt ausgehend von dem Kanal in den ersten Ringkanal über mindestens eine erste Öffnung in der ersten inneren Umfangsfläche ein. Das Abgas umströmt das thermoelektrische Modul nun in einer Umfangs- richtung und tritt über mindestens eine zweite Öffnung in der ersten äußeren Umfangsfläche aus dem ersten Ringkanal aus. The object of the present invention is therefore to at least partially solve the problems described with reference to the prior art. In particular, a device for converting thermal energy of an exhaust gas into electrical energy is to be specified, which on the one hand has a compact design, but on the other hand ensures high efficiency in the conversion of thermal energy. In addition, the use of the device according to the invention in a motor vehicle is proposed. These objects are achieved with a device according to the features of claim 1. Further advantageous embodiments of the device are specified in the dependent formulated claims. It should be noted that the features listed individually in the patent claims can be combined with one another in any technologically meaningful manner and show further embodiments of the invention. The description, in particular in conjunction with the figures, further explains the invention and leads to additional embodiments of the invention. The device according to the invention for converting thermal energy of an exhaust gas into electrical energy has at least one channel running along an axis (in particular a central axis) in an axial direction and a first annular channel surrounding the channel. The first annular channel has a first inner circumferential surface and a first outer circumferential surface, wherein at least one thermoelectric module is arranged between the first inner circumferential surface and the first outer circumferential surface. The exhaust gas flows in the axial direction into the channel and is deflected there in a radial direction. The exhaust gas flows from the channel into the first annular channel at least one first opening in the first inner peripheral surface. The exhaust gas now flows around the thermoelectric module in a circumferential direction and exits from the first annular channel via at least one second opening in the first outer peripheral surface.
Insbesondere weist hierbei der Kanal/die Vorrichtung eine erste offene Stirnseite und eine zweite (wenigstens zeitweise) geschlossene Stirnseite auf, wobei das Abgas über die erste offene Stirnseite in den Kanal einströmt. Durch die geschlossene zweite Stirnseite wird das Abgas gezwun- gen, in radialer Richtung den Kanal zu verlassen und in einen ersten Ringkanal einzuströmen, der den Kanal insbesondere vollumfänglich umgibt. Bevorzugt ist die Vorrichtung in Umfangsrichtung rund, elliptisch oder auch vieleckig ausgeführt. Insbesondere ermöglicht die axiale Einströmung des Abgases in die Vorrichtung bzw. in den Kanal und die nachfolgende Umlenkung in eine radiale Richtung einen kompakten Aufbau der Vorrichtung. Darüber hinaus wird eine Queranströmung des mindestens einen thermoelektrischen Moduls im Wesentlichen vermieden. Das Abgas tritt in den ersten Ringkanal über die erste Öffnung in radialer Richtung ein und verteilt sich im ersten Ringkanal über den Querschnitt des ersten Ringkanals in radialer Richtung. Im ersten Ringkanal strömt das Abgas nun in Umfangsrichtung hin zu der zweiten Öffnung und beaufschlagt dabei das mindestens eine thermoelektrische Modul. Das mindestens eine thermoelektrische Modul wird entsprechend nicht quer überströmt sondern entlang seiner Erstre- ckung von dem Abgas beaufschlagt. Eine Queranströmung von thermoelektrischen Modulen bedeutet, dass diese nicht gleichmäßig von Abgas beaufschlagt werden können. Entsprechend würde eine der Einströmung des Abgases abgewandte Seite eines thermoelektrischen Moduls nicht unmittelbar von dem Abgas beaufschlagt werden, so dass sich ein ungleichmäßiges Temperaturprofil an einem Querschnitt des thermoelektrischen Moduls einstellen würde. Eine effektive Ausnutzung der thermischen Energie wäre bei einer solchen Queranströmung ebenfalls nicht möglich, da die an der abgewandten Seite angeordneten thermoelektri- sehen Materialien in geringerem Maße von Abgas beaufschlagt werden. Weiterhin kann eine entsprechende nicht gleichmäßige Beaufschlagung dazu führen, dass der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Moduls sinkt, da die innerhalb des thermoelektrischen Moduls angeordneten thermoelektrischen Materialien einem ungleichmäßigen Temperaturprofil ausgesetzt sind. In particular, in this case, the channel / the device has a first open end side and a second (at least temporarily) closed end side, wherein the exhaust gas flows into the channel via the first open end side. Due to the closed second end face, the exhaust gas is forced to leave the channel in the radial direction and to flow into a first annular channel which in particular surrounds the channel in its entirety. Preferably, the device is round, elliptical or polygonal in the circumferential direction. In particular, the axial inflow of the exhaust gas into the device or into the channel and the subsequent deflection in a radial direction enables a compact construction of the device. In addition, a transverse flow of the at least one thermoelectric module is substantially avoided. The exhaust gas enters the first annular channel via the first opening in the radial direction and is distributed in the first annular channel over the cross section of the first annular channel in the radial direction. In the first annular channel, the exhaust gas then flows in the circumferential direction toward the second opening and acts on the at least one thermoelectric module. The at least one thermoelectric module is correspondingly not flowed over transversely but is acted upon along its extent by the exhaust gas. A transverse flow of thermoelectric modules means that they can not be uniformly acted upon by exhaust gas. Accordingly, a side of a thermoelectric module facing away from the inflow of the exhaust gas would not be acted upon directly by the exhaust gas, so that an uneven temperature profile would occur at a cross section of the thermoelectric module. An effective utilization of the thermal energy would also not be possible with such a transverse flow, since the thermoelectric elements arranged on the opposite side see materials are subjected to a lesser extent of exhaust gas. Furthermore, a corresponding nonuniform loading may cause the efficiency of the thermoelectric module to decrease because the thermoelectric materials disposed within the thermoelectric module are exposed to a non-uniform temperature profile.
Besonders bevorzugt ist zwischen dem Kanal und dem ersten Ringkanal zumindest ein (weiterer) zweiter Ringkanal angeordnet, in den das Abgas ausgehend vom Kanal einströmt. Das heißt insbesondere auch, dass das Abgas erst nach Verlassen des (inneren) zweiten Ringkanals durch die erste Öffnung in der ersten inneren Umfangsfläche des ersten Ringkanals hindurch in den ersten Ringkanal selbst eintritt. Dieser zweite Ringkanal ist insbesondere durch eine für das Abgas durchlässige zweite innere Umfangsfläche von dem Kanal (räumlich) getrennt. Die innere Umfangsfläche kann dabei beispielsweise eine Vielzahl von Durchbrechungen, Kanälen, Poren, etc. aufweisen, wobei dies mit einem einstückigen Bauteil (z. B. eine Art Rohr) ebenso realisierbar ist wie mit einem (komplexen) Strömungsverteiler (wie z. B. einer Art Wabenkörper mit Kanälen). Das Abgas tritt insbesondere über die gesamte zweite innere Umfangsfläche in den zweiten Ringkanal (gleichmäßig verteilt in Umfangsrichtung und/oder axiale Richtung) ein und strömt von dort weiter über die erste Öffnung in den ersten Ringkanal. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die zweite innere Umfangsfläche durch einen (im Wesentlichen) radial durchströmbaren Wabenkörper gebildet, der eine Vielzahl von Strömungspfaden (oder Kanälen) für das Abgas aufweist. Die erste Öffnung erstreckt sich insbesondere in der axialen Richtung im Wesentlichen über die gesamte Länge des ersten Ringkanals. Insbesondere ist die erste Öffnung in der axialen Richtung eine durchgehende Öffnung, z. B. nach Art eines Schlitzes. Bevorzugt weist die erste Öffnung, entlang der axialen Richtung, sich in Umfangsrichtung erstreckende Ver- engungen und Erweiterungen auf, durch die der Abgasstrom beim Durchtritt der ersten Öffnung geregelt wird. Particularly preferably, at least one (further) second annular channel is arranged between the channel and the first annular channel, into which the exhaust gas flows, starting from the channel. This also means, in particular, that the exhaust gas only enters the first annular channel itself after leaving the (inner) second annular channel through the first opening in the first inner circumferential surface of the first annular channel. This second annular channel is in particular separated from the channel (spatially) by a second internal peripheral surface permeable to the exhaust gas. In this case, the inner peripheral surface can have, for example, a large number of perforations, channels, pores, etc., and this can likewise be achieved with a one-piece component (eg a type of tube) or with a (complex) flow distributor (such as, for example). a kind of honeycomb body with channels). The exhaust gas enters in particular over the entire second inner circumferential surface in the second annular channel (evenly distributed in the circumferential direction and / or axial direction) and flows from there via the first opening in the first annular channel. According to an advantageous development, the second inner peripheral surface is formed by a (substantially) radially permeable honeycomb body having a plurality of flow paths (or channels) for the exhaust gas. The first opening extends, in particular in the axial direction, over substantially the entire length of the first annular channel. In particular, the first opening in the axial direction is a through opening, e.g. B. in the manner of a slot. Preferably, the first opening, along the axial direction, has circumferentially extending connections. ments and expansions, by which the exhaust gas flow is controlled at the passage of the first opening.
In der Umfangsrichtung erstreckt sich die erste Öffnung, ausgehend von der Achse, insbesondere über einen Winkelbereich von höchstens 2°, insbesondere von höchstens 5°. Die erste Öffnung ist insbesondere so gestaltet, dass der gesamte, in den Kanal einströmende, Abgasstrom durch die erste Öffnung ohne nennenswerte Strömungsverluste in den ersten Ringkanal einströmen kann. Die erste Öffnung weist daher bevorzugt einen entsprechend gestalteten Öffnungsquerschnitt auf. In the circumferential direction, the first opening extends, starting from the axis, in particular over an angular range of at most 2 ° , in particular of at most 5 ° . The first opening is in particular designed so that the entire, flowing into the channel, exhaust gas flow through the first opening without significant flow losses in the first annular channel can flow. The first opening therefore preferably has a correspondingly designed opening cross-section.
Bevorzugt ist in dem ersten Ringkanal mindestens ein thermoelektrisches Modul angeordnet, das sich (ausschließlich oder im Wesentlichen) in Umfangsrichtung entlang der ersten inneren Umfangsfläche erstreckt. Dabei ist das thermoelektrische Modul insbesondere von der ersten inneren Umfangsfläche und bevorzugt auch von der ersten äußeren Umfangsfläche beabstandet angeordnet, so dass das thermoelektrische Modul an seiner Außenfläche von dem Abgas beaufschlagt werden kann. Insbesondere ist eine Vielzahl von thermoelektrischen Modulen nebeneinander in der axialen Richtung in dem ersten Ringkanal angeordnet. Bevorzugt sind weitere thermoelektrische Module, in radialer Richtung nach außen, innerhalb des ersten Ringkanals angeordnet. Insbesondere strömt das Abgas über die erste Öffnung, die sich in Umfangsrichtung nur über einen kleinen Winkelbereich erstreckt, in den ersten Ringkanal ein und beströmt ggf. die in diesem (kleinen) Bereich in Umfangsrichtung verlaufenden thermoelektrischen Module in einer Queranströmung. Das Abgas verteilt sich in dem ersten Ringkanal und strömt dann in Umfangsrichtung zwischen erster innerer Umfangsfläche und erster äußerer Umfangsfläche in Richtung der zweiten Öffnung. Dabei werden die thermoelektrischen Module in Richtung ihrer Erstreckung überströmt und eine gleichmäßige Beaufschlagung der Außenfläche der thermoelektrischen Module durch das Abgas stellt sich ein. Somit kann durch die Vorrichtung einerseits ein kompakter thermoelekt- rischer Generator zur Verfügung gestellt werden. Andererseits werden die thermoelektrischen Module in Richtung ihrer Erstreckung von dem heißen Medium, hier ein Abgas, überströmt, so dass eine gleichmäßige Temperatur an der Außenfläche (Heißseite) vorliegt und folglich die thermoelektrischen Materialien effizient hinsichtlich ihrer Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie genutzt werden. Insbesondere ist es möglich, dass in Umfangsrichtung der Vorrichtung und entlang der Er- Streckung der thermoelektrischen Module unterschiedliche thermoelekt- rische Materialien eingesetzt werden, so dass die thermische Energie des sich in Umfangsrichtung abkühlenden Abgasstroms effizient genutzt werden kann. Insbesondere ist das mindestens eine thermoelektrische Modul rohrför- mig bzw. ringförmig ausgestaltet und erstreckt sich entsprechend (ausschließlich oder im Wesentlichen) in Umfangsrichtung durch den ersten Ringkanal. Die Außenfläche des thermoelektrischen Moduls wird hier als sogenannte Heißseite des thermoelektrischen Moduls genutzt. Im Inneren des rohrförmigen bzw. ringförmigen thermoelektrischen Moduls ist entsprechend eine in Umfangsrichtung der Vorrichtung verlaufende Leitung für ein kaltes Medium angeordnet, so dass dort die Kaltseite realisiert ist. Zwischen der Kaltseite und der Heißseite sind die thermoelektrischen Materialien angeordnet, die z. B. ringförmig hintereinander in Umfangsrich- tung der Vorrichtung angeordnet sein können. Andere Ausgestaltungen von thermoelektrischen Materialien sind ebenfalls denkbar. At least one thermoelectric module is preferably arranged in the first annular channel and extends (exclusively or substantially) in the circumferential direction along the first inner peripheral surface. In this case, the thermoelectric module is arranged in particular spaced from the first inner peripheral surface and preferably also from the first outer peripheral surface, so that the thermoelectric module can be acted upon on its outer surface of the exhaust gas. In particular, a plurality of thermoelectric modules are arranged side by side in the axial direction in the first annular channel. Preferably, further thermoelectric modules are arranged in the radial direction outwards, within the first annular channel. In particular, the exhaust gas flows via the first opening, which extends in the circumferential direction only over a small angular range, into the first annular channel and possibly flows through the thermoelectric modules extending in this (small) region in the circumferential direction in a transverse flow. The exhaust gas is distributed in the first annular channel and then flows in the circumferential direction between the first inner peripheral surface and the first outer peripheral surface in the direction of the second opening. In this case, the thermoelectric modules are overflowed in the direction of their extension and a uniform loading of the outer surface of the thermoelectric modules by the exhaust gas is established. Thus, on the one hand, a compact thermoelectric generator can be provided by the device. On the other hand, the thermoelectric modules are overflowed in the direction of their extension by the hot medium, here an exhaust gas, so that a uniform temperature on the outer surface (hot side) is present and consequently the thermoelectric materials are used efficiently in terms of their conversion of thermal energy into electrical energy. In particular, it is possible for different thermoelectric materials to be used in the circumferential direction of the device and along the extension of the thermoelectric modules, so that the thermal energy of the exhaust gas flow cooling in the circumferential direction can be used efficiently. In particular, the at least one thermoelectric module is tubular or annular in shape and extends correspondingly (exclusively or substantially) in the circumferential direction through the first annular channel. The outer surface of the thermoelectric module is used here as the so-called hot side of the thermoelectric module. In the interior of the tubular or annular thermoelectric module, a line extending in the circumferential direction of the device is accordingly arranged for a cold medium, so that the cold side is realized there. Between the cold side and the hot side, the thermoelectric materials are arranged, the z. B. can be arranged annularly one behind the other in the circumferential direction of the device. Other embodiments of thermoelectric materials are also conceivable.
Nach dem Überströmen der Außenfläche des mindestens einen thermoelektrischen Moduls strömt das Abgas über die zweite Öffnung in der ersten äußeren Umfangsfläche aus dem ersten Ringkanal heraus und wird entlang einer Abgasleitung weitergeführt. After overflowing the outer surface of the at least one thermoelectric module, the exhaust gas flows out of the first annular passage via the second opening in the first outer circumferential surface and continues along an exhaust gas line.
Auch die zweite Öffnung erstreckt sich insbesondere über die gesamte Länge der Vorrichtung, wobei in Umfangsrichtung der Vorrichtung auch hier lediglich eine Erstreckung über einen Winkelbereich von höchstens 2°, insbesondere 5° vorgesehen ist. Bevorzugt ist somit insbesondere auch die Ausgestaltung der zweiten Öffnung nach Art eines Schlitzes oder dergleichen. Die weiteren Ausführungen hinsichtlich der ersten Öffnung gel- ten entsprechend für die zweite Öffnung. The second opening also extends in particular over the entire length of the device, wherein in the circumferential direction of the device as well here only an extension over an angular range of at most 2 ° , in particular 5 ° is provided. Thus, the design of the second opening in the manner of a slot or the like is particularly preferred. The further statements regarding the first opening apply accordingly to the second opening.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die erste Öffnung und die zweite Öffnung um 180° zueinander versetzt angeordnet. Dies bedeutet insbesondere, dass das Abgas über die mindestens eine erste Öffnung in den ersten Ringkanal eintritt und entsprechend in Um- fangsrichtung hin zur zweiten Öffnung strömt. Durch diese bevorzugte Anordnung der ersten Öffnung gegenüber der zweiten Öffnung strömt das Abgas, ausgehend von der ersten Öffnung, in jeweils einander entgegengesetzten Umfangsrichtungen hin zur zweiten Öffnung. Ein Versatz von 180° bedeutet insbesondere, dass die Öffnungen bevorzugt (wenigstens zeitweise) auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Ringkanal angeordnet sind. Für die Abgasströmung bedeutet dies, dass zwei gleich lange, im Wesentlichen bevorzugt halbkreisförmige, Strömungspfade um die thermoelektrischen Module herum gebildet sind. According to a particularly advantageous embodiment, the first opening and the second opening are arranged offset by 180 ° to each other. This means, in particular, that the exhaust gas enters the first annular channel via the at least one first opening and accordingly flows in the circumferential direction toward the second opening. As a result of this preferred arrangement of the first opening in relation to the second opening, the exhaust gas, starting from the first opening, flows in each circumferential direction opposite to the second opening. An offset of 180 ° means in particular that the openings are preferably arranged (at least temporarily) on opposite sides of the first annular channel. For the exhaust gas flow this means that two equally long, substantially semicircular, flow paths are formed around the thermoelectric modules.
Insbesondere erstreckt sich das mindestens eine thermoelektrische Modul im Wesentlichen in Umfangsrichtung im ersten Ringkanal, wobei es den ersten Ringkanal bevorzugt über einen Winkelbereich von nahezu 360° in Umfangsrichtung entsprechend vollständig ausfüllt. Insbesondere können aber auch mehrere thermoelektrische Module in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sein. In particular, the at least one thermoelectric module extends substantially in the circumferential direction in the first annular channel, wherein it preferably completely fills the first annular channel over an angular range of almost 360 ° in the circumferential direction. In particular, however, a plurality of thermoelectric modules can also be arranged one behind the other in the circumferential direction.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest eine dritte Öffnung in der ersten inneren Umfangsfläche vorgesehen, durch die das Abgas ausgehend von dem Kanal in den ersten Ringkanal eintritt, wobei die dritte Öffnung (in der radialen Richtung) fluchtend zu der zweiten Öffnung angeordnet ist. Insbesondere stellt diese dritte Öffnung eine Art Bypass für das Abgas dar, so dass eine Überströmung des mindestens einen thermoelektrischen Moduls durch das Abgas weitgehend vermieden werden kann. Ausgehend von dem Kanal strömt das Abgas somit über die dritte Öffnung direkt hin zur zweiten Öffnung und durchquert damit den ersten Ringkanal in radialer Richtung über den kürzesten möglichen Weg, also insbesondere ohne nennenswerten Kontakt mit den thermoelektri- sehen Materialien. Insbesondere ist entlang dieser Strecke kein thermo- elektrisches Modul angeordnet, so dass das Abgas ungehindert von der zweiten Öffnung in Richtung der dritten Öffnung strömen kann. According to a particularly advantageous embodiment, at least one third opening is provided in the first inner peripheral surface through which the exhaust gas enters the first annular channel from the channel, the third opening being arranged (in the radial direction) in alignment with the second opening. In particular, this third opening is a kind of bypass for the exhaust gas, so that an overflow of the at least one thermoelectric module by the exhaust gas largely avoided can be. Starting from the channel, the exhaust gas thus flows via the third opening directly to the second opening and thus passes through the first annular channel in the radial direction over the shortest possible path, ie in particular without any significant contact with the thermoelectric see materials. In particular, no thermoelectric module is arranged along this route, so that the exhaust gas can flow unhindered from the second opening in the direction of the third opening.
Bevorzugt kann die dritte Öffnung geöffnet und geschlossen werden. Ins- besondere ist dafür ein regelbares Schließelement vorgesehen, das insbesondere stufenlos die dritte Öffnung schließen und öffnen kann. Preferably, the third opening can be opened and closed. In particular, a controllable closing element is provided for this purpose, which in particular can steplessly close and open the third opening.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Öffnung geöffnet und geschlossen werden, wobei bei Verschließen der dritten Öff- nung gleichzeitig die erste Öffnung geöffnet wird. Insbesondere kann dieses Öffnen und Schließen der ersten Öffnung sowie Öffnen und Schließen der dritten Öffnung durch ein einziges Schließelement ermöglicht werden. Ist demnach die erste Öffnung geschlossen und gleichzeitig die dritte Öffnung geöffnet, kann das Abgas über die dritte Öffnung di- rekt hin zur fluchtend angeordneten zweiten Öffnung in der ersten äußeren Umfangsfläche strömen. Somit kann das mindestens eine thermo- elektrische Modul (zumindest weitgehend) umgangen werden. According to a further advantageous embodiment, the first opening can be opened and closed, wherein at closing of the third opening at the same time the first opening is opened. In particular, this opening and closing of the first opening and opening and closing of the third opening can be made possible by a single closing element. Accordingly, if the first opening is closed and at the same time the third opening is opened, the exhaust gas can flow via the third opening directly toward the aligned second opening in the first outer circumferential area. Thus, the at least one thermoelectric module can be bypassed (at least largely).
Bei einer Öffnung der ersten Öffnung und gleichzeitiger Schließung der dritten Öffnung strömt das Abgas in den ersten Ringkanal und in Um- fangsrichtung durch den ersten Ringkanal hin zur zweiten Öffnung. With an opening of the first opening and simultaneous closure of the third opening, the exhaust gas flows into the first annular channel and in the circumferential direction through the first annular channel toward the second opening.
Durch eine nicht vollständige Schließung der ersten Öffnung und eine nicht vollständige Öffnung der dritten Öffnung sowie auch umgekehrt, kann der Abgas ström mit dem mindestens einen thermoelektrischen Modul geregelt in Kontakt gebracht werden. In diesem Fall strömen ein Teil des Abgasstroms über den Bypass zwischen dritter Öffnung und zweiter Öffnung und ein anderer Teil des Abgasstroms entlang der thermoelektrischen Module zwischen erster Öffnung und zweiter Öffnung. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass das mindestens eine thermoelektrische Modul ringförmig ausgestaltet ist und sich in Umfangsrichtung zumindest von der ersten Öffnung hin zu der zweiten Öffnung erstreckt. Innerhalb des rohrförmigen thermoelekt- rischen Moduls ist entsprechend mindestens eine Leitung für ein kaltes Medium vorgesehen, so dass ein entsprechender Temperatur gradient zwischen Außenfläche und Leitung des thermoelektrischen Moduls bereitgestellt wird. Die Leitung des mindestens einen thermoelektrischen Moduls wird insbesondere an mindestens einer Stelle der Vorrichtung nach außen geführt, so dass dort eine Verbindung (Zulauf und/oder Rücklauf) zu einer Kühlvorrichtung vorgesehen ist. By an incomplete closure of the first opening and a non-complete opening of the third opening as well as vice versa, the exhaust gas ström can be brought into controlled contact with the at least one thermoelectric module. In this case, a part of the exhaust gas flow through the bypass between the third opening and second opening and another part of the exhaust gas flow along the thermoelectric modules between the first opening and second opening. A particularly advantageous embodiment of the device provides that the at least one thermoelectric module is designed annular and extends in the circumferential direction at least from the first opening to the second opening. Within the tubular thermoelectric module, at least one line for a cold medium is correspondingly provided, so that a corresponding temperature gradient is provided between the outer surface and the line of the thermoelectric module. The line of the at least one thermoelectric module is guided in particular at at least one point of the device to the outside, so that there is a connection (inlet and / or return) is provided to a cooling device.
Es wird weiterhin ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das zumindest eine Verbrennungskraftmaschine und eine Abgasanlage aufweist sowie mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Furthermore, a motor vehicle is proposed which has at least one internal combustion engine and an exhaust system and at least one device according to the invention.
Es ist auch darauf hinzuweisen, dass der Einsatz der hier vorgeschlagenen Vorrichtung nicht auf Kraftfahrzeuge begrenzt ist. Wie bereits in der Einleitung angegeben, kann die Vorrichtung auch für andere Einsatzfälle vorgesehen werden, in denen ein Temperaturgradient vorliegt, der zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie genutzt werden kann. Soweit hier lediglich die Verwendung mit Abgas als heißes Medium angeführt wurde, bedeutete das nicht, dass die Erfindung darauf beschränkt ist. It should also be noted that the use of the device proposed here is not limited to motor vehicles. As already stated in the introduction, the device can also be provided for other applications in which a temperature gradient is present, which can be used to convert thermal energy into electrical energy. As far as only the use of exhaust gas as a hot medium has been cited here, this did not mean that the invention is limited thereto.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für gleiche Gegenstände verwendet. Es zeigen schematisch: The invention and the technical environment will be explained in more detail with reference to FIGS. The figures show particularly preferred embodiments, to which the invention is not limited. Like reference numerals are used in the figures for the same items. They show schematically:
Fig. 1: eine Vorrichtung in einer Seitenansicht im Querschnitt, Fig. 2: die Vorrichtung nach Fig. 1 in einer Frontalansicht im Querschnitt, 1 shows a device in a side view in cross section, 2 shows the device of FIG. 1 in a front view in cross section,
Fig. 3: eine weitere Vorrichtung in einer Seitenansicht in einem Quer- schnitt, 3 shows a further device in a side view in a cross section,
Fig. 4: die weitere Vorrichtung nach Fig. 3 in einer Frontalansicht in einem Querschnitt und in einem ersten Zustand, Fig. 5: die weitere Vorrichtung nach Fig. 3 in einer Frontalansicht und in einem zweiten Zustand, FIG. 4 shows the further device according to FIG. 3 in a front view in a cross section and in a first state, FIG. 5 shows the further device according to FIG. 3 in a front view and in a second state, FIG.
Fig. 6: die weitere Vorrichtung nach Fig. 3 in einer Frontalansicht und in einem dritten Zustand, 6 shows the further device according to FIG. 3 in a front view and in a third state, FIG.
Fig. 7: eine erste Öffnung in einer ersten inneren Umfangsfläche, und Fig. 8: ein Kraftfahrzeug. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 in einer Seitenansicht im Querschnitt. Die Vorrichtung 1 erstreckt sich entlang einer Achse 13. Ein Abgas 2 strömt über eine erste Stirnseite 26 in den Kanal 4 der Vorrichtung 1 ein. Der Kanal 4 an der zweiten Stirnseite 27 ist verschlossen ausgeführt, so dass das Abgas 2 in dem Kanal 4 in eine radiale Richtung 5 umgelenkt wird. Das Abgas 2 strömt über eine erste Öffnung 6 in einen ersten Ringkanal 7 ein, der durch eine erste innere Umfangsfläche 8 und eine erste äußere Umfangsfläche 9 sowie durch die erste Stirnseite 26 und die zweite Stirnseite 27 der Vorrichtung 1 begrenzt ist. Die erste Öffnung 6 ist an der ersten inneren Umfangsfläche 8 angeordnet. In dem ersten Ringkanal 7 sind mehrere thermoelektrische Module 10 angeordnet. Diese erstrecken sich im ersten Ringkanal 7 entlang der ersten inneren Umfangsfläche 8 um den Kanal 4 herum. Die thermoelektrischen Module 10 sind rohrför- mig aufgebaut und weisen eine Außenfläche 28 sowie eine Leitung 23 auf. Die Außenfläche 28 wird von dem Abgas 2 in dem ersten Ringkanal 7 be- aufschlagt. Durch die Leitung 23 strömt ein kaltes Medium 22, so dass ein Temperaturgradient zwischen Außenfläche 28 und Leitung 23 gebildet ist. Innerhalb des thermoelektrischen Moduls 10 sind thermoelektrische Materialien 31 angeordnet, so dass der aus dem Temperaturgradient re- sultierende und über die thermoelektrischen Materialien 31 strömende Wärmestrom in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die thermoelektrischen Module 10 werden ggf. im Bereich der ersten Öffnung 6 von dem Abgas 2 quer angeströmt. Entsprechend wird die der Einströmung bzw. der ersten Öffnung 6 abgewandte Seite 36 der rohrförmigen thermoelektrischen Module 10 in viel geringerem Maße von Abgas 2 beaufschlagt. Entsprechend ungleichmäßig bildet sich ein Temperaturgradient über den Querschnitt 35 der thermoelektrischen Module 10 in diesem Bereich ihrer Erstreckung 34 aus. Vorteil der vorliegenden Vorrichtung 1 ist nun, dass in dem weiteren Verlauf des ersten Ringkanals 7 die ther- moelektrischen Module 10 über ihre Außenfläche 28 gleichmäßig mit Abgas 2 beaufschlagt werden, da auch das Abgas 2 in Umfangsrichtung den ersten Ringkanal 7 durchströmt. Im unteren Teil der Fig. 1 ist an der ersten äußeren Umfangsfläche 9 eine zweite Öffnung 12 vorgesehen, über die das Abgas 2 die Vorrichtung 1 verlässt. FIG. 7: a first opening in a first inner peripheral surface; and FIG. 8: a motor vehicle. Fig. 1 shows a device 1 in a side view in cross section. The device 1 extends along an axis 13. An exhaust gas 2 flows via a first end face 26 into the channel 4 of the device 1. The channel 4 on the second end face 27 is designed to be closed, so that the exhaust gas 2 is deflected in the channel 4 in a radial direction 5. The exhaust gas 2 flows via a first opening 6 into a first annular channel 7 which is delimited by a first inner circumferential surface 8 and a first outer peripheral surface 9 and by the first end side 26 and the second end side 27 of the device 1. The first opening 6 is arranged on the first inner circumferential surface 8. In the first annular channel 7 a plurality of thermoelectric modules 10 are arranged. These extend in the first annular channel 7 along the first inner peripheral surface 8 around the channel 4 around. The thermoelectric modules 10 are of tubular construction and have an outer surface 28 and a conduit 23. The outer surface 28 is covered by the exhaust gas 2 in the first annular channel 7. aufschlagt. Through line 23, a cold medium 22 flows, so that a temperature gradient between outer surface 28 and line 23 is formed. Thermoelectric materials 31 are arranged within the thermoelectric module 10, so that the heat flow resulting from the temperature gradient and flowing via the thermoelectric materials 31 can be converted into electrical energy. If necessary, the thermoelectric modules 10 are flowed transversely by the exhaust gas 2 in the region of the first opening 6. Accordingly, the side facing away from the inflow or the first opening 6 side 36 of the tubular thermoelectric modules 10 is acted upon by exhaust 2 to a much lesser extent. Accordingly, a temperature gradient over the cross-section 35 of the thermoelectric modules 10 in this region of their extent 34 forms unevenly. Advantage of the present device 1 is now that in the further course of the first annular channel 7, the thermoelectric modules 10 are uniformly applied via its outer surface 28 with exhaust gas 2, as well as the exhaust gas 2 in the circumferential direction flows through the first annular channel 7. In the lower part of FIG. 1, a second opening 12 is provided on the first outer circumferential surface 9, via which the exhaust gas 2 leaves the device 1.
Fig. 2 zeigt die Vorrichtung 1 nach Fig. 1 in einer Frontalansicht ausgehend von der ersten Stirnseite 26 im Querschnitt. Im Inneren der Vorrichtung 1 ist zentral der Kanal 4 angeordnet, in den das Abgas 2 ausgehend von der ersten Stirnseite 26 in axialer Richtung 3 einströmt. In dem Kanal 4 wird das Abgas 2 umgeleitet und strömt in radialer Richtung 5 über die erste Öffnung 6 in den ersten Ringkanal 7 ein. Dort wird das Abgas 2 erneut umgelenkt und strömt in Umfangsrichtung 11 entlang des ersten Ringkanals 7 hin zu der zweiten Öffnung 12, die in der ersten äußeren Umfangsfläche 9 der Vorrichtung 1 angeordnet ist. Die thermoelektri- sehen Module 10 sind hier ringförmig, aber in Umfangsrichtung 11 geteilt, dargestellt, wobei sie sich über einen Winkelbereich 18 von nahezu 360° erstrecken. Hier sind in dem in Fig. 2 gezeigten Querschnitt zwei thermoelektrische Module 10 mit jeweils einer Erstreckung 34 von der ersten Öffnung 6 hin zu der zweiten Öffnung 12 vorgesehen. Ein Durch- bruch 37 ist fluchtend in der radialen Richtung 5 zu der ersten Öffnung 6 angeordnet, so dass das Abgas 2 sich ungehindert in radialer Richtung 5 im ersten Ringkanal 7 verteilt. In diesem Fall beströmt das Abgas 2 die thermoelektrischen Module 10 nicht quer (siehe Ausführungen zu Fig. 1), da hier in dem thermoelektrischen Modul 10 ein Durchbruch 37 vorgesehen ist. Es ist anzumerken, dass die thermoelektrischen Module 10 in Umfangsrichtung 11 einteilig oder auch mehrteilig ausgeführt sein können, so dass Durchbrüche 37 in radialer Richtung 5 für das Abgas 2 vorliegen können. Die erste Öffnung 6 und die zweite Öffnung 12 erstrecken sich in Umfangsrichtung 11 jeweils über einen Winkelbereich 18. FIG. 2 shows the device 1 according to FIG. 1 in a frontal view, starting from the first end face 26 in cross section. Inside the device 1, the channel 4 is arranged centrally, into which the exhaust gas 2 flows, starting from the first end face 26 in the axial direction 3. In the channel 4, the exhaust gas 2 is diverted and flows in the radial direction 5 via the first opening 6 in the first annular channel 7 a. There, the exhaust gas 2 is deflected again and flows in the circumferential direction 11 along the first annular channel 7 toward the second opening 12, which is arranged in the first outer peripheral surface 9 of the device 1. The thermoelectric see modules 10 are here annular, but divided in the circumferential direction 11, shown, wherein they extend over an angular range 18 of nearly 360 ° . Here, in the cross section shown in FIG. 2, two thermoelectric modules 10 each having an extension 34 from the first opening 6 to the second opening 12 are provided. One through Break 37 is arranged in alignment in the radial direction 5 to the first opening 6, so that the exhaust gas 2 is freely distributed in the radial direction 5 in the first annular channel 7. In this case, the exhaust gas 2 does not flow transversely through the thermoelectric modules 10 (see embodiments of FIG. 1), since an opening 37 is provided here in the thermoelectric module 10. It should be noted that the thermoelectric modules 10 in the circumferential direction 11 may be made in one or more parts, so that breakthroughs 37 may be present in the radial direction 5 for the exhaust gas 2. The first opening 6 and the second opening 12 extend in the circumferential direction 11 in each case over an angular range 18.
Fig. 3 zeigt eine weitere Vorrichtung 1 in einer Seitenansicht im Querschnitt. Das Abgas 2 tritt über eine erste Stirnseite 26 in den Kanal 4 der Vorrichtung 1 ein. Dort wird das Abgas 2 in radialer Richtung 5 umge- lenkt und strömt über eine zweite innere Umfangsfläche 33 und eine Vielzahl von, zumindest teilweise gegeneinander getrennt ausgeführten, Strömungspfaden 32 in einen zweiten Ringkanal 29 ein. Die Strömungspfade 32 können insbesondere durch einen im Wesentlichen radial durchströmbaren Wabenkörper 25 gebildet sein, der bevorzugt mit einer katalytischen Beschichtung zur Umwandlung von Schadstoffen im Abgas 2 ausgeführt ist. Die Anordnung eines entsprechenden radial durchströmbaren Wabenkörpers 25 führt dazu, dass das Abgas 2 vor Eintritt in den ersten Ringkanal 7 und vor Beaufschlagung der thermoelektrischen Module 10 sich weiter erwärmt und entsprechend eine gesteigerte thermische Energie des Abgases durch die thermoelektrischen Module 10 umgewandelt werden kann. Das Abgas 2 wird nach Durchströmen der Strömungspfade 32 in dem zweiten Ringkanal 29 gesammelt und strömt von dort über eine erste Öffnung 6 in den ersten Ringkanal 7 ein. In dem ersten Ringkanal 7 sind entsprechend thermoelektrische Module 10 an- geordnet, die nun von dem Abgas anfangs in radialer Richtung 5 und dann in Umfangsrichtung 11 überströmt werden. Das Abgas 2 durchströmt den ersten Ringkanal 7 in Umfangsrichtung 11 und verlässt die Vorrichtung 1 über eine zweite Öffnung 12. Die erste Öffnung 6 und die zweite Öffnung 12 erstrecken sich in der axialen Richtung 3 jeweils über die gesamte Länge 30 der Vorrichtung 1. Fig. 3 shows a further device 1 in a side view in cross section. The exhaust gas 2 enters via a first end face 26 in the channel 4 of the device 1 a. There, the exhaust gas 2 is deflected in the radial direction 5 and flows through a second inner circumferential surface 33 and a plurality of, at least partially mutually separated running, flow paths 32 in a second annular channel 29 a. The flow paths 32 can be formed, in particular, by a honeycomb body 25, which can flow through substantially radially, and which is preferably designed with a catalytic coating for converting pollutants in the exhaust gas 2. The arrangement of a corresponding radially through-flowable honeycomb body 25 causes the exhaust gas 2 further heated before entering the first annular channel 7 and before acting on the thermoelectric modules 10 and correspondingly increased thermal energy of the exhaust gas can be converted by the thermoelectric modules 10. The exhaust gas 2 is collected after flowing through the flow paths 32 in the second annular channel 29 and flows from there via a first opening 6 in the first annular channel 7 a. In the first annular channel 7 thermoelectric modules 10 are arranged accordingly, which are now overflowed by the exhaust initially in the radial direction 5 and then in the circumferential direction 11. The exhaust gas 2 flows through the first annular channel 7 in the circumferential direction 11 and leaves the device 1 via a second opening 12. The first opening 6 and the Second openings 12 extend in the axial direction 3 over the entire length 30 of the device. 1
Fig. 4 zeigt die weitere Vorrichtung nach Fig. 3 in einer Frontalansicht in einem ersten Zustand. Das Abgas 2 strömt in den inneren Kanal 4 über eine erste Stirnseite 26 ein und wird dort umgelenkt in eine radiale Richtung 5. Der Kanal 4 ist umgeben von einem radial durchströmbaren Wabenkörper 25 mit einer Vielzahl von im Wesentlichen radial verlaufenden Strömungspfaden 32. Das Abgas 2 strömt über den radial durchströmbaren Wabenkörper 25 in einen zweiten Ringkanal 29 ein. Hier wird das Abgas 2 gesammelt und strömt über die erste Öffnung 6 in den ersten Ringkanal 7. In dem ersten Ringkanal 7 verteilt sich das Abgas 2 in radialer Richtung 5 über den gesamten Querschnitt und strömt von dort ausgehend jeweils in Umfangsrichtung 11 hin zu der zweiten Öff- nung 12. Hier ist weiterhin eine dritte Öffnung 14 vorgesehen, die um einen Winkel von 180° versetzt zu der ersten Öffnung 6 angeordnet ist. Die dritte Öffnung 14 ist zudem fluchtend in radialer Richtung 5 zu der zweiten Öffnung 12 angeordnet. Weiterhin ist hier ein Schließelement 19 vorgesehen, dass zum gleichzeitigen Verschließen und Öffnen der ersten Öffnung 6 und der dritten Öffnung 14 geeignet ausgeführt ist. FIG. 4 shows the further device according to FIG. 3 in a front view in a first state. The exhaust gas 2 flows into the inner channel 4 via a first end face 26 and is deflected there in a radial direction 5. The channel 4 is surrounded by a honeycomb body 25 which can be flowed through radially and has a multiplicity of essentially radially extending flow paths 32 flows via the radially through-flowable honeycomb body 25 in a second annular channel 29 a. Here, the exhaust gas 2 is collected and flows through the first opening 6 in the first annular channel 7. In the first annular channel 7, the exhaust gas 2 is distributed in the radial direction 5 over the entire cross-section and flows from there, starting in the circumferential direction 11 towards the second Opening 12. Here, furthermore, a third opening 14 is provided, which is arranged offset by an angle of 180 ° to the first opening 6. The third opening 14 is also arranged in alignment in the radial direction 5 to the second opening 12. Furthermore, a closing element 19 is provided here that is designed to simultaneously close and open the first opening 6 and the third opening 14 suitable.
Fig. 5 zeigt die weitere Vorrichtung 1 nach Fig. 3 in einer Frontalansicht in einem zweiten Zustand. Hier ist das Schließelement 19 so angeordnet, dass die erste Öffnung 6 und die dritte Öffnung 14 jeweils teilweise ge- öffnet sind. Das Abgas 2 strömt entsprechend mit einem ersten Teilabgasstrom durch die erste Öffnung 6 in den ersten Ringkanal 7 ein. Ein weiterer Teilabgasstrom strömt über die dritte Öffnung 14 ebenfalls in den ersten Ringkanal 7, wobei es von dort in radialer Richtung 5 direkt hin zu der zweiten Öffnung 12 strömt und dabei die thermoelektrischen Module 10 zumindest nur in einem sehr geringen Maße beaufschlagt. Lediglich der Teilabgasstrom, der über die erste Öffnung 6 in den ersten Ringkanal 7 einströmt, beaufschlagt die thermoelektrischen Module 10 und strömt durch den ersten Ringkanal 7 in Umfangsrichtung 11 hin zu der zweiten Öffnung 12. Fig. 6 zeigt die weitere Vorrichtung 1 nach Fig. 3 in einer weiteren Frontalansicht und in einem dritten Zustand, wobei das Abgas 2 nun ausgehend von dem zweiten Ringkanal 29 lediglich über die dritte Öffnung 14 in den ersten Ringkanal 7 einströmt. Das Schließelement 19 verschließt vollständig die erste Öffnung 6 und gleichzeitig ist die dritte Öffnung 14 vollständig geöffnet. Damit ist ein Bypass geschaffen, durch den das gesamte Abgas 2 ausgehend von dem Kanal 4 über die dritte Öffnung 14 hin zu der zweiten Öffnung 12 und damit aus der Vorrichtung 1 strömt. Das Schließelement 19 ist hier als Schiebeelement ausgeführt, das insbesondere auf der ersten inneren Umfangsfläche 8 angeordnet und entsprechend in Umfangsrichtung 11 verschiebbar ausgeführt ist, so dass die erste Öffnung 6 und die dritte Öffnung 14 gleichzeitig und wechselweise verschlossen und geöffnet werden können. FIG. 5 shows the further device 1 according to FIG. 3 in a front view in a second state. Here, the closing element 19 is arranged such that the first opening 6 and the third opening 14 are each partially opened. The exhaust gas 2 flows in accordance with a first partial exhaust gas flow through the first opening 6 in the first annular channel 7 a. A further partial exhaust gas flow also flows via the third opening 14 into the first annular channel 7, from where it flows in the radial direction 5 directly to the second opening 12 and at the same time acts on the thermoelectric modules 10 only to a very small extent. Only the partial exhaust gas flow, which flows via the first opening 6 into the first annular channel 7, acts on the thermoelectric modules 10 and flows through the first annular channel 7 in the circumferential direction 11 toward the second opening 12. FIG. 6 shows the further device 1 according to FIG. 3 in a further frontal view and in a third state, the exhaust gas 2 now flowing from the second annular channel 29 only via the third opening 14 into the first annular channel 7. The closing element 19 completely closes the first opening 6 and at the same time the third opening 14 is fully opened. Thus, a bypass is provided, through which the entire exhaust gas 2, starting from the channel 4 via the third opening 14 toward the second opening 12 and thus flows out of the device 1. The closing element 19 is designed here as a sliding element, which is arranged in particular on the first inner circumferential surface 8 and correspondingly designed to be displaceable in the circumferential direction 11, so that the first opening 6 and the third opening 14 can be closed and opened alternately and alternately.
Fig. 7 zeigt eine erste Öffnung 6 in einer ersten inneren Umfangsfläche 8. Die erste Öffnung 6 erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Länge 30 der Vorrichtung 1. In der axialen Richtung 3 weist die erste Öffnung 6 sich wechselweise in Umfangsrichtung 11 erstreckende Verengungen 38 und Erweiterungen 39 auf. 7 shows a first opening 6 in a first inner peripheral surface 8. The first opening 6 extends substantially over the entire length 30 of the device 1. In the axial direction 3, the first opening 6 has constrictions 38 extending alternately in the circumferential direction 11 and extensions 39 on.
Fig. 8 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 20 mit einer Verbrennungskraftmaschine 16 und einer Abgasanlage 17, wobei in der Abgasanlage 17 eine Vorrichtung 1 angeordnet ist. Weiterhin ist eine Kühlung 21 vorgese- hen, die mit einem kalten Medium 22 einerseits die Verbrennungskraftmaschine 16 und andererseits die Vorrichtung 1 beaufschlagt. Dabei können natürlich auch mehrere Kühlungen 21 vorgesehen sein, so dass die Vorrichtung 1 und die Verbrennungskraftmaschine 16 jeweils unabhängig voneinander mit einem kalten Medium 22 versorgt werden. Den Betrieb der Vorrichtung 1 und ggf. auch in Kommunikation mit der Kühlung 21 und/oder der Verbrennungskraftmaschine 16 kann eine Kontrolleinheit 15 auf die aktuellen Betriebssituationen anpassen. Ausgehend von der Verbrennungskraftmaschine 16 durchströmt ein Abgas 2 die Abgasanlage 17 in Richtung der Vorrichtung 1. Nach Durchströmen der Vorrichtung 1 und mehrfachen Umlenkung des Abgases 2 wird das Abgas 2 an die Umgebung abgeführt. Innerhalb der Vorrichtung 1 wird die thermische Energie des Abgases 2 zumindest teilweise in elektrische Energie umgewandelt und kann entsprechend elektrischen Verbrauchern 24 im Kraftfahr- zeug 20 direkt oder aber über elektrische Speicher zugeführt werden. 8 shows schematically a motor vehicle 20 with an internal combustion engine 16 and an exhaust system 17, wherein a device 1 is arranged in the exhaust system 17. Furthermore, a cooling 21 is provided which acts on the one hand on the internal combustion engine 16 and on the other hand on the device 1 with a cold medium 22. Of course, several cooling 21 may be provided, so that the device 1 and the internal combustion engine 16 are each supplied with a cold medium 22 independently. The operation of the device 1 and possibly also in communication with the cooling 21 and / or the internal combustion engine 16, a control unit 15 can be adapted to the current operating situations. Starting from the internal combustion engine 16, an exhaust gas 2 flows through the exhaust system 17 in the direction of the device 1. After flowing through the device 1 and multiple deflection of the exhaust gas 2, the exhaust gas 2 is discharged to the environment. Within the device 1, the thermal energy of the exhaust gas 2 is at least partially converted into electrical energy and can be supplied according to electrical loads 24 in the motor vehicle 20 directly or else via electrical storage.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Vorrichtung 1 device
2 Abgas  2 exhaust gas
3 axiale Richtung  3 axial direction
4 Kanal  4 channel
5 radiale Richtung  5 radial direction
6 erste Öffnung  6 first opening
7 erster Ringkanal  7 first annular channel
8 erste innere Umfangsfläche  8 first inner peripheral surface
9 erste äußere Umfangsfläche  9 first outer peripheral surface
10 thermoelektrische s Modul  10 thermoelectric s module
11 Umfangsrichtung  11 circumferential direction
12 zweite Öffnung  12 second opening
13 Achse  13 axis
14 dritte Öffnung  14 third opening
15 Kontrolleinheit  15 control unit
16 Verbrennungskraftmaschine  16 internal combustion engine
17 Abgasanlage  17 exhaust system
18 Winkelbereich  18 angular range
19 Schließelement  19 closing element
20 Kraftfahrzeug  20 motor vehicle
21 Kühlung  21 cooling
22 kaltes Medium  22 cold medium
23 Leitung  23 line
24 Verbraucher  24 consumers
25 radial durchströmbarer Wabenkörper 25 radially permeable honeycomb body
26 erste Stirnseite 26 first end face
27 zweite Stirnseite  27 second end face
28 Außenfläche  28 outer surface
29 zweiter Ringkanal  29 second ring channel
30 Länge  30 length
31 thermoelektrische Materialien Strömungspfade 31 thermoelectric materials flow paths
zweite innere Umfangsfläc e Erstreckung second inner Umfangsfläc e extension
Querschnitt cross-section
abgewandte Seite opposite side
Durchbruch breakthrough
Verengung narrowing
Erweiterung extension

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (1) zur Umwandlung thermischer Energie eines Abgases in elektrische Energie, zumindest aufweisend einen entlang einer Achse (13) in einer axialen Richtung (3) verlaufenden Kanal (4) und einen, den Kanal (4) umgebenden ersten Ringkanal (7), der eine erste innere Umfangsfläche (8) und eine erste äußere Umfangs- fläche (9) aufweist, wobei zwischen der ersten inneren Umfangsfläche (8) und der ersten äußeren Umfangsfläche (9) mindestens ein thermoelektrisches Modul (10) angeordnet ist, wobei ein Abgas (2) in der axialen Richtung (3) in den Kanal (4) einströmt und dort in eine radiale Richtung (5) umgelenkt wird, wobei das Abgas (2), ausgehend von dem Kanal (4) in den ersten Ringkanal (7) über mindestens eine erste Öffnung (6) in der ersten inneren Umfangsfläche (8) einströmt, wobei das Abgas (2) das thermoelektrische Modul (10) in einer Umfang srichtung (11) umströmt und über mindestens eine zweite Öffnung (12) in der ersten äußeren Umfangsfläche (9) aus dem Ringkanal (7) austritt. A device (1) for converting thermal energy of an exhaust gas into electrical energy, comprising at least one channel (4) extending along an axis (13) in an axial direction (3) and a first annular channel (7) surrounding the channel (4) ) having a first inner peripheral surface (8) and a first outer peripheral surface (9), wherein between the first inner peripheral surface (8) and the first outer peripheral surface (9) at least one thermoelectric module (10) is arranged an exhaust gas (2) in the axial direction (3) flows into the channel (4) and is deflected there in a radial direction (5), wherein the exhaust gas (2), starting from the channel (4) into the first annular channel ( 7) via at least a first opening (6) in the first inner peripheral surface (8) flows, wherein the exhaust gas (2) the thermoelectric module (10) in a circumferential direction (11) flows around and at least a second opening (12) in the first outer peripheral surface (9) of de m ring channel (7) emerges.
Vorrichtung (1) gemäß Patentanspruch 1, wobei zwischen dem Kanal (4) und dem ersten Ringkanal (7) zumindest ein zweiter Ringkanal (29) angeordnet ist, in den das Abgas (2) ausgehend von dem Kanal (4) einströmt. Device (1) according to claim 1, wherein between the channel (4) and the first annular channel (7) at least a second annular channel (29) is arranged, in which the exhaust gas (2) from the channel (4) flows.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die erste Öffnung (6) und die zweite Öffnung (12) um 180° zueinander versetzt angeordnet sind. Device (1) according to one of the preceding claims, wherein the first opening (6) and the second opening (12) are arranged offset by 180 ° to each other.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zumindest eine dritte Öffnung (14) in der ersten inneren Umfangsfläche (8) vorgesehen ist, durch die das Abgas (2) von dem Kanal (4) in den ersten Ringkanal (7) eintritt, wobei die dritte Öffnung (14) fluchtend zu der zweiten Öffnung (12) angeordnet ist. Vorrichtung (1) gemäß Patentanspruch 3, wobei die dritte Öffnung (14) geöffnet und geschlossen werden kann. Device (1) according to one of the preceding claims, wherein at least one third opening (14) in the first inner peripheral surface (8) is provided, through which the exhaust gas (2) from the channel (4) into the first annular channel (7) wherein the third opening (14) is disposed in alignment with the second opening (12). Device (1) according to claim 3, wherein the third opening (14) can be opened and closed.
Vorrichtung (1) gemäß Patentanspruch 3 oder 4, wobei die erste Öffnung (6) geöffnet und geschlossen werden kann und bei Verschließen der dritten Öffnung (14) gleichzeitig die erste Öffnung (6) geöffnet wird. Device (1) according to claim 3 or 4, wherein the first opening (6) can be opened and closed and at the same time closing the third opening (14), the first opening (6) is opened.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das mindestens eine thermoelektrische Modul (10) ringförmig ausgestaltet ist und sich in Umfangsrichtung (11) zumindest von der ersten Öffnung (6) hin zu der zweiten Öffnung (12) erstreckt. Device (1) according to one of the preceding claims, wherein the at least one thermoelectric module (10) is annular and extends in the circumferential direction (11) at least from the first opening (6) towards the second opening (12).
Kraftfahrzeug (20), zumindest aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine (16) und eine Abgasanlage (17) sowie mindestens eine Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche. Motor vehicle (20), at least comprising an internal combustion engine (16) and an exhaust system (17) and at least one device (1) according to one of the preceding claims.
PCT/EP2012/067360 2011-09-14 2012-09-06 Thermoelectric generator having a compact design WO2013037689A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011113307.4 2011-09-14
DE102011113307A DE102011113307A1 (en) 2011-09-14 2011-09-14 Thermoelectric generator with compact design

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013037689A1 true WO2013037689A1 (en) 2013-03-21

Family

ID=47046526

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/067360 WO2013037689A1 (en) 2011-09-14 2012-09-06 Thermoelectric generator having a compact design

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102011113307A1 (en)
WO (1) WO2013037689A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103412351A (en) * 2013-09-03 2013-11-27 江苏万新光学有限公司 Method for manufacturing high transparency power generation lens

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103758617B (en) * 2014-02-10 2016-01-06 中国科学院上海硅酸盐研究所 A kind of thermoelectric generation device for vehicle

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19817340A1 (en) * 1997-05-02 1998-11-05 Volkswagen Ag Coolant warming process for vehicle
US20030140957A1 (en) * 2002-01-25 2003-07-31 Komatsu Ltd. Thermoelectric module
EP1530243A2 (en) * 2003-11-07 2005-05-11 C.R.F. Società Consortile per Azioni An electricity generator device including a combustor matrix of porous semi-conductor material
US6951456B2 (en) * 2000-01-07 2005-10-04 University Of Southern California Microcombustor and combustion-based thermoelectric microgenerator
DE102008023937A1 (en) * 2008-05-16 2009-11-19 Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh Device for generating electrical energy from exhaust heat
WO2010089505A1 (en) * 2009-02-06 2010-08-12 Turbomeca Thermoelectric generation for a gas turbine
DE102009020424A1 (en) * 2009-05-08 2010-11-11 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Exhaust gas routing device for an internal combustion engine with a thermoelectric generator

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD291824A5 (en) * 1990-02-06 1991-07-11 Schwermaschinenbau "K. Liebknecht" Magdeburg,De GAS COOLER INSTALLATION OF THE RING CIRCUIT
JP2006214350A (en) * 2005-02-03 2006-08-17 Toyota Motor Corp Thermoelectric generator
JP4534060B2 (en) * 2005-04-08 2010-09-01 国立大学法人京都大学 Thermoelectric generator, heat exchanger
DE102008044711A1 (en) * 2008-08-28 2010-03-04 Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh Combination of heat exchanger and catalyst as a component of an exhaust system

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19817340A1 (en) * 1997-05-02 1998-11-05 Volkswagen Ag Coolant warming process for vehicle
US6951456B2 (en) * 2000-01-07 2005-10-04 University Of Southern California Microcombustor and combustion-based thermoelectric microgenerator
US20030140957A1 (en) * 2002-01-25 2003-07-31 Komatsu Ltd. Thermoelectric module
EP1530243A2 (en) * 2003-11-07 2005-05-11 C.R.F. Società Consortile per Azioni An electricity generator device including a combustor matrix of porous semi-conductor material
DE102008023937A1 (en) * 2008-05-16 2009-11-19 Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh Device for generating electrical energy from exhaust heat
WO2010089505A1 (en) * 2009-02-06 2010-08-12 Turbomeca Thermoelectric generation for a gas turbine
DE102009020424A1 (en) * 2009-05-08 2010-11-11 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Exhaust gas routing device for an internal combustion engine with a thermoelectric generator

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103412351A (en) * 2013-09-03 2013-11-27 江苏万新光学有限公司 Method for manufacturing high transparency power generation lens

Also Published As

Publication number Publication date
DE102011113307A1 (en) 2013-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2697486B1 (en) Device having a heat exchanger for a thermoelectric generator of a motor vehicle
EP2697485B1 (en) Device having a heat exchanger for a thermoelectric generator of a motor vehicle
EP3212907B1 (en) Honeycomb body with an electric heating device
DE102011103110B4 (en) Exhaust system with circulation heat pipe
WO2009138412A1 (en) Device for producing electrical energy from exhaust gas heat
DE102010012629A1 (en) Device comprising a catalyst carrier body and a thermoelectric generator arranged in a housing
WO2011006978A1 (en) Thermoelectric device comprising tube bundles
DE102008063487A1 (en) Device for generating electrical energy from an exhaust gas
DE102008044711A1 (en) Combination of heat exchanger and catalyst as a component of an exhaust system
EP2427646B1 (en) Exhaust gas routing device for an internal combustion engine having a thermoelectrical generator
EP2565538A1 (en) Diversion steam line
EP3500737B1 (en) Component of an exhaust system and method of exhaust gas aftertreatement
DE102012112861B4 (en) Thermoelectric generator for a vehicle
DE102013221573A1 (en) Thermoelectric generator for use with internal combustion engine, has thermoelectric elements which are arranged on plates, such that each of thermoelectric elements is in contact with heating section and cooling section
WO2013037689A1 (en) Thermoelectric generator having a compact design
EP2914822B1 (en) Exhaust system with thermoelectric generator
WO2019120980A1 (en) Counter-current heat exchanger
EP2630671B1 (en) Semi-conductor elements made of thermoelectric material for use in a thermoelectric module
EP3990760A1 (en) Exhaust gas aftertreatment device
DE102011008773A1 (en) Heat exchanger and jet engine with such
DE102011118375A1 (en) Device for converting thermal energy into electrical energy
DE102018113985A1 (en) Catalyst device for the catalytic purification of an exhaust gas flow of an internal combustion engine
DE102005021138A1 (en) Integral electrical machine has cylindrical cooling channel with axial wall dividing it into channel sections next to stator and electronics and connected by openings; section next to stator is connected to feed and return channels
DE102010014089A1 (en) Thermoelectric generator arrangement for use in e.g. exhaust gas manifold of exhaust system in internal combustion engine, has condensing region limited at end of condensing channel, and thermoelectric side pairs arranged around channel

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12775151

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12775151

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1