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DE102008005334A1 - Thermoelectric generator for exhaust gas stream, is attached at waste gas flue, and thermoelectric transducer element is arranged, which converts thermal energy into electricity - Google Patents

Thermoelectric generator for exhaust gas stream, is attached at waste gas flue, and thermoelectric transducer element is arranged, which converts thermal energy into electricity Download PDF

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DE102008005334A1
DE102008005334A1 DE102008005334A DE102008005334A DE102008005334A1 DE 102008005334 A1 DE102008005334 A1 DE 102008005334A1 DE 102008005334 A DE102008005334 A DE 102008005334A DE 102008005334 A DE102008005334 A DE 102008005334A DE 102008005334 A1 DE102008005334 A1 DE 102008005334A1
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DE
Germany
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thermoelectric
thermoelectric generator
generator according
exhaust gas
conversion element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102008005334A
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German (de)
Inventor
Christian Vitek
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Individual
Original Assignee
Individual
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F01N5/025Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat the device being thermoelectric generators
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0275Arrangements for coupling heat-pipes together or with other structures, e.g. with base blocks; Heat pipe cores
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
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Abstract

The thermoelectric generator is attached at a waste gas flue, and a thermoelectric transducer element (1) is arranged, which converts thermal energy into electricity. A heat pipe (2) is arranged in the waste gas flue, which leads the thermal energy of the exhaust gas stream to the surface of the thermoelectric transducer element.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator für einen Abgasstrom, der an einem Abgaskanal angeschlossen ist, wobei zumindest ein thermoelektrisches Wandlerelement angeordnet ist, welches thermische Energie in elektrische Energie umwandelt und ein Wärmetauscherelement, welches zumindest teilweise an einer Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements und zumindest teilweise im Abgaskanal angeordnet ist.The The invention relates to a thermoelectric generator for an exhaust gas stream connected to an exhaust passage, wherein at least one thermoelectric transducer element is arranged, which converts thermal energy into electrical energy and a heat exchanger element, which at least partially on a surface of the thermoelectric Transducer element and at least partially disposed in the exhaust passage is.

Aus der DE 10 2005 005 077 A1 ist beispielsweise ein solcher thermoelektrischer Generator für den Abgasstrom eines Kraftfahrzeuges offenbart. Die Erzeugung von elektrischer Energie unter Verwendung eines thermoelektrischen Generatorelements, welches thermische Energie in elektrische Energie umwandelt, ist gemäß dem Stand der Technik bekannt. Das thermoelektrische Generatorelement macht Gebrauch von dem Seebeck-Effekt, bei dem die Temperaturdifferenz zwischen zwei Enden, einem Hochtemperaturabschnitt und einem Niedrigtemperaturabschnitt, eines Metalls oder eines Halbleiterteiles eine Potenzialdifferenz zwischen dem Hochtemperaturabschnitt und dem Niedrigtemperaturabschnitt des Metalls oder des Halbleiterteiles hervorruft. Eine größere Temperaturdifferenz erhöht die elektrische Energie, die durch das thermoelektrische Generatorelement erzeugt wird.From the DE 10 2005 005 077 A1 For example, such a thermoelectric generator for the exhaust gas flow of a motor vehicle is disclosed. The generation of electrical energy using a thermoelectric generator element which converts thermal energy into electrical energy is known in the art. The thermoelectric generator element makes use of the Seebeck effect in which the temperature difference between two ends, a high temperature portion and a low temperature portion, a metal or a semiconductor part causes a potential difference between the high temperature portion and the low temperature portion of the metal or the semiconductor part. A larger temperature difference increases the electrical energy generated by the thermoelectric generator element.

Derartige thermoelektrische Generatoren sind hinsichtlich ihres Wirkungsgrades noch nicht optimal ausgebildet. Eine Schwachstelle bei den bekannten thermoelektrischen Generatoren ist die noch nicht optimale Ausnutzung der Wärme des Abgasstromes. Außerdem beeinflussen Elemente des Wärmetauschers im Abgasstrom diesen negativ.such Thermoelectric generators are in terms of their efficiency not yet optimally trained. A weak point in the known thermoelectric generators is not yet optimal utilization the heat of the exhaust stream. In addition, influence Elements of the heat exchanger in the exhaust stream this negative.

Der Erfinder hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen thermoelektrischen Generator für einen Abgasstrom zur Verfügung zu stellen, der einen besseren Wirkungsgrad aufweist und den Abgasstrom weniger beeinflusst.Of the The inventor has therefore set itself the task of a thermoelectric Generator for an exhaust flow available too provide better efficiency and the exhaust gas flow less affected.

Diese Aufgabe wird durch einen thermoelektrischen Generator für einen Abgasstrom gemäß dem Anspruch 1 gelöst.These Task is by a thermoelectric generator for an exhaust gas stream according to claim 1 solved.

Der Erfinder hat erkannt, dass es möglich ist, den thermischen Wirkungsgrad eines thermoelektrischen Generators zu verbessern, wenn die Wärmeübertragung aus dem Abgas zum thermoelektrischen Wandlerelement mit Hilfe von Heatpipes erfolgt. Ein Heatpipe ermöglicht eine höhere Wärmeübertragung, wobei die Wärmeübertragung nicht nur durch Wärmeleitung sondern zusätzlich auch durch Wärmekonvektion (Verdampfung und Kondensation) zustande kommt.Of the Inventor has recognized that it is possible to use the thermal To improve the efficiency of a thermoelectric generator, when the heat transfer from the exhaust gas to the thermoelectric conversion element done with the help of heatpipes. A heatpipe allows a higher heat transfer, the Heat transfer not only by heat conduction but also by heat convection (Evaporation and condensation) comes about.

Aus den gewonnenen Erkenntnissen heraus schlägt der Erfinder vor, einen thermoelektrischen Generator für einen Abgasstrom, der an einem Abgaskanal angeschlossen ist, wobei zumindest ein thermoelektrisches Wandlerelement angeordnet ist, welches thermische Energie in elektrische Energie umwandelt und ein Wärmetauscherelement, welches zumindest teilweise an einer Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements und zumindest teilweise im Abgaskanal angeordnet ist, dahingehend zu verbessern, dass zumindest ein Heatpipe im Abgaskanal angeordnet ist, welches die thermische Energie des Abgasstromes zur Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements leitet.Out the discoveries won out beats the inventor before, a thermoelectric generator for an exhaust gas flow, which is connected to an exhaust passage, wherein at least one thermoelectric Transducer element is arranged, which thermal energy into electrical Energy converts and a heat exchanger element, which at least partially on a surface of the thermoelectric conversion element and at least partially disposed in the exhaust passage, to that effect to improve that at least one heat pipe arranged in the exhaust duct is which the thermal energy of the exhaust stream to the surface of the thermoelectric conversion element passes.

Der neue thermoelektrische Generator eignet sich zur Energieerzeugung aus der Abwärme einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors zur Verbrennung von Biogas. Hierbei ergeben sich Anwendungen bei Abgastemperaturen von circa 150°C bis 600°C. Der neue thermoelektrische Generator kann beispielsweise nach einem Abgasturbolader in den Abgasstrom geschaltet werden. Die Verwendung eines Heatpipes ermöglicht einen hohen Wärmetransport aus dem Abgas, wobei die Wärmeübertragung nicht nur durch Wärmeleitung, sondern zusätzlich auch durch Wärmekonvektion zustande kommt. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise, welche das Gewicht für die Wärmetauschereinheit um bis zu 80% reduzieren kann. Als Wärme abgebendes Medium eignen sich sowohl flüssige als auch gasförmige Stoffe, wie Wasser, Glykol, Thermoöl oder Heiß- bzw. Abgas. Als Wärme aufnehmendes Medium auf der Seite des thermoelektrischen Wandlerelements eignen sich ebenfalls sowohl flüssige als auch gasförmige Stoffe. Der thermoelektrische Generator kann aus mehreren Modulen aufgebaut sein, welche aus einer Vielzahl von thermoelektrischen Elementen bestehen. Die Module können elektrisch entweder in Serie oder parallel verschaltet werden. Im Abgaskanal können mehrere Module sowohl parallel als auch hintereinander in Reihe angeordnet werden.Of the new thermoelectric generator is suitable for power generation from the waste heat of an internal combustion engine, in particular a gas engine for burning biogas. This results Applications at exhaust gas temperatures of about 150 ° C to 600 ° C. The new thermoelectric generator can, for example, after a Exhaust gas turbocharger to be switched into the exhaust stream. The usage a heatpipe allows a high heat transfer from the exhaust, where the heat transfer is not only by heat conduction, but in addition also by heat convection. this makes possible a compact design, which is the weight for the heat exchanger unit can reduce up to 80%. As a heat-releasing medium Both liquid and gaseous are suitable Substances such as water, glycol, thermal oil or hot or exhaust gas. As a heat absorbing medium on the side the thermoelectric conversion element are also suitable both liquid as well as gaseous substances. The thermoelectric Generator can be composed of several modules, which consists of a Variety of thermoelectric elements exist. The modules can electrically connected either in series or in parallel. in the Exhaust duct allows multiple modules both in parallel as well be arranged in series one behind the other.

Mit einem Heatpipe kann Wärme sehr effizient von einem Ort zum anderen transportiert werden. Es kann eine um circa 100 bis 1000 mal höhere Wärmemenge transportieren als ein Bauteil gleicher Abmessungen aus massivem Kupfer. Die Heatpipe nutzt den physikalischen Effekt, dass beim Verdampfen und Kondensieren einer Flüssigkeit enorm hohe Energiemengen bei minimalen Temperaturgradienten umgesetzt werden. In der Heatpipe herrscht ein Unterdruck von circa 10–5 bar, so dass das Arbeitsmittel bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft. Die Heatpipes können als Stäbe mit einem runden Querschnitt oder auch abgeflacht ausgeführt werden.With a heat pipe heat can be transported very efficiently from one place to another. It can transport around 100 to 1000 times more heat than a solid copper component of the same size. The heat pipe utilizes the physical effect that when vaporizing and condensing a liquid enormous amounts of energy with minimal temperature gradients are implemented. In the heat pipe there is a negative pressure of about 10 -5 bar, so that the working fluid evaporates already at low temperatures. The heatpipes can be designed as rods with a round cross section or even flattened.

Einfach ausgedrückt sind Heatpipes versiegelte Röhrchen mit einer Arbeitsflüssigkeit und dessen Dampf. Die Innenseite des Heatpipes ist mit einer Kapillarstruktur versehen, wobei die Struktur der Innenseite entweder gesintert oder mit vielschichtigem Metallgewebe gebildet sein kann. Führt man der Heatpipe von außen Wärme zu, so verdampft die Flüssigkeit im Inneren der Heatpipe. Der Dampf strömt in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert an den kühleren Stellen der Heatpipe (Kontaktkörper) unter Abgabe der Energie. Das Kondensat wird durch die Kapillarkräfte der inneren Struktur an den Ort der Verdampfung zurücktransportiert.Put simply, heatpipes are sealed tubes with a working fluid and the steam. The inside of the heat pipe is provided with a capillary structure, wherein the structure of the inside can be either sintered or formed with multi-layered metal fabric. If heat is supplied to the heat pipe from outside, the liquid evaporates inside the heat pipe. The steam flows in the direction of the temperature gradient and condenses at the cooler parts of the heat pipe (contact body) with the release of energy. The condensate is transported back to the point of evaporation by the capillary forces of the internal structure.

Je feiner die Struktur desto größer sind die Kapillarkräfte. Es ist von Vorteil, Kapillarstrukturen mit kleinen Radien zu nutzen, also kleine Maschenweite oder geringe Korngröße bei Sintermetall. Die Heatpipes können eine reine Kupferoberfläche aufweisen, legiert mit Zinn, Nickel, Messing, Silber, Chrom oder Gold. Alternativ können die Heatpipes auch aus rostfreiem Stahl sein.ever the finer the structure, the greater the capillary forces. It is advantageous to use capillary structures with small radii, So small mesh size or small grain size in sintered metal. The heatpipes can be a pure copper surface alloyed with tin, nickel, brass, silver, chrome or Gold. Alternatively, the heatpipes can also be made of stainless steel Be steel.

Das Arbeitsmedium im Heatpipe wird je nach Einsatztemperatur gewählt, vorzugsweise Wasser, wegen der höchsten Wärmetransferleistung bei Temperaturen von circa 2 bis 300°C. Bei höheren Temperaturen von circa 120 bis 550°C Quecksilber, bei noch höheren Temperaturen Cäsium, Kalium, Natrium, Lithium und Silber. Bei tieferen Temperaturen kommen eventuell ein Gemisch mit Wasser, Alkohol, Ammoniak und Acetyl zum Einsatz.The Working medium in the heat pipe is selected depending on the operating temperature, preferably water, because of the highest heat transfer performance at temperatures of about 2 to 300 ° C. At higher Temperatures of about 120 to 550 ° C mercury, while still higher temperatures cesium, potassium, sodium, Lithium and silver. At lower temperatures may arrive Mixture with water, alcohol, ammonia and acetyl used.

Das Arbeitsmedium sollte folgende Eigenschaften aufweisen: hohe Oberflächenspannung, niedrige Viskosität, gute Wärmeleitfähigkeit, große Verdampfungsenthalpie, weder extrem niedrige noch extrem hohe Dampfdrücke, gute Benetzungsfähigkeit.The Working medium should have the following properties: high surface tension, low Viscosity, good thermal conductivity, high evaporation enthalpy, neither extremely low nor extreme high vapor pressures, good wetting ability.

Aufgrund des zusätzlichen Gravitationseinflusses auf das Arbeitsmedium im Heatpipe erfolgt der Einbau vorzugsweise senkrecht mit der Kondensationsseite (Wärmesenke) nach oben. Alternativ können die Heatpipes auch waagerecht oder kombiniert, zum Beispiel schräg oder gebogen, eingebaut werden. Ungünstiger wirkt sich der Einbau mit der Kondensationsseite (Wärmesenke) nach unten aus da die hier die Kapillarkraft gegen die Gravitation arbeiten muss.by virtue of the additional gravitational influence on the working medium In the heat pipe, the installation is preferably carried out vertically with the condensation side (Heat sink) upwards. Alternatively, the Heatpipes also horizontal or combined, for example oblique or bent, to be installed. Unfavorable affects the installation with the condensation side (heat sink) after down there because here the capillary force against gravity work got to.

Es ist von Vorteil, wenn als thermoelektrisches Wandlerelement ein Seebeck-Element eingesetzt wird. Beim Seebeck-Effekt wird die Thermoelektrizität genutzt. Einige der frei beweglichen Elektronen können die Oberfläche eines Metalls verlassen, wenn ihre kinetische Energie mindestens gleich der Austritts- oder Ablösearbeit ist. Da diese materialabhängig ist, treten bei einer innigen Berührung zweier Metalloberflächen einige Elektronen vom Metall mit niedrigerer Austrittsarbeit in das andere über. Es entsteht eine Berührungsspannung, deren Größe tem peraturabhängig ist. Ein Thermoelement besteht aus zwei dieser Berührungsstellen. Besteht zwischen diesen keine Temperaturdifferenz, so gleichen sich die beiden Berührungsspannungen aus. Haben die beiden Verbindungsstellen unterschiedliche Temperatur, so fließt als Folge einer Thermospannung ein Thermostrom. Seine Größe hängt außer vom Stromkreiswiderstand von den Materialien und der Temperaturdifferenz ab. Die Metalle lassen sich hinsichtlich ihrer Thermospannung in eine thermoelektrische Spannungsreihe einordnen.It is advantageous if a thermoelectric transducer element Seebeck element is used. The Seebeck effect becomes thermoelectricity used. Some of the free moving electrons can leave the surface of a metal if its kinetic Energy at least equal to the exit or detachment work is. Since this is material-dependent, occur in a intimate Touching two metal surfaces some electrons from the lower work function metal to the other. It creates a touch voltage whose size tem peraturabhängig is. A thermocouple consists of two of these contact points. If there is no difference in temperature between them, they are equal two touch voltages. Do the two connection points different temperature, so flows as a result of a Thermoelectric voltage a thermo-current. Its size depends except from the circuit resistance of the materials and the temperature difference. The metals can be considered in terms of their Classify thermoelectric voltage into a thermoelectric voltage series.

Alternativ dazu kann als thermoelektrisches Wandlerelement ein Peltier-Element verwendet werden, welches elektrische Energie in thermische Energie umwandelt. Die Umkehrung des thermoelektrischen Effektes wird als der Peltier-Effekt bezeichnet. Fließt ein Strom durch eine Metallkombination analog dem Thermoelement, so entsteht zwischen den beiden Berührungsstellen eine Temperaturdifferenz. Und zwar kühlt sich die Stelle ab, die bei gleicher Richtung eines Thermostromes erhitzt werden müsste.alternative this can be done as a thermoelectric transducer element, a Peltier element used, which converts electrical energy into thermal energy transforms. The reversal of the thermoelectric effect is called called the Peltier effect. A current flows through one Metal combination analogous to the thermocouple, so arises between the two points of contact a temperature difference. And Although the place cools, the same direction a thermo-current would have to be heated.

Die vom thermoelektrischen Wandlerelement aufgenommene Wärmemenge wird durch Kühlmittel an der Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements abgeführt. Das Kühlmittel kann beispielweise ein Kühlkörper sein, der von einem Kühlmedium durchströmt wird.The absorbed by the thermoelectric conversion element amount of heat is caused by coolant on the surface of the thermoelectric conversion element dissipated. The coolant can, for example, a Be heat sink, that of a cooling medium is flowed through.

Zwischen thermoelektrischem Wandlerelement und Abgaskanal sollte zumindest ein Isolierelement angeordnet sein, welches das Wandlerelement und den Abgaskanal thermisch trennt. Dadurch ist das thermoelektrische Wandlerelement entkoppelt vom Abgaskanal, somit werden vor allem thermische Verluste aber auch thermomechanische Verspannungen sehr gering gehalten. Mit einer leistungsfähigen Kühleinheit, welche an der anderen Oberfläche der thermoelektrischen Wandlereinheit angeordnet ist, um die thermoelektrische Wandlereinheit zu kühlen und durch eine Isolierung vom Abgaskanal getrennt ist, kann der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators weiter optimiert werden.Between thermoelectric transducer element and exhaust duct should at least an insulating element may be arranged, which the transducer element and thermally separates the exhaust duct. This is the thermoelectric Transducer element decoupled from the exhaust duct, thus, above all thermal losses but also thermomechanical tensions very kept low. With a powerful cooling unit, which on the other surface of the thermoelectric Transducer unit is arranged to the thermoelectric conversion unit to cool and separated by an isolation from the exhaust duct is, the efficiency of the thermoelectric generator can continue be optimized.

Es ist günstig wenn zumindest ein Kontaktkörper im thermoelektrischen Generator angeordnet ist, wobei das thermoelektrische Wandlerelement zwischen Kontaktkörper und Kühlung befestigt, vorzugsweise geklemmt, angeordnet ist. Am Kontaktkörper und/oder am Kühlkörper befinden sich Mittel, vorzugsweise Erhebungen oder Vertiefungen, die ein Verschieben oder Verrutschen der in Kontakt befindlichen Kontaktkörper und Kühlkörper verhindern. Der Kontaktkörper kann als Wärmespeicher fungieren, in den die Heatpipes münden und an dessen Oberfläche die thermoelektrische Wandlereinheit angeordnet ist.It is favorable if at least one contact body in thermoelectric generator is arranged, wherein the thermoelectric Transducer element between contact body and cooling attached, preferably clamped, is arranged. At the contact body and / or on the heat sink are means, preferably Elevations or depressions that move or slip the contact body and heat sink in contact prevent. The contact body can be used as a heat storage act, in which the heat pipes open and on the surface the thermoelectric conversion unit is arranged.

Um die Wärmeaufnahme aus dem Abgasstrom zu verbessern, sollte an der Oberfläche der Heatpipes mehrere Wärmetauscherflächen angeordnet sein. Die Wärmetauscherflächen können dabei als Lamellen ausgebildet sein und gleiche oder ungleiche Abstände voneinander haben. Die Lamellen selbst können als ebene Fläche ausgebildet sein. Alternativ dazu, ist ein gewelltes und/oder ein zick-zack-förmiges Profil der Lamellen günstig. Als Material für die Wärmetauscherflächen eignen sich gut wärmeleitende Metalle, wie Kupfer oder Aluminium.Around should improve the heat absorption from the exhaust stream on the surface of the heatpipes several heat exchanger surfaces be arranged. The heat exchanger surfaces can while being formed as fins and equal or unequal distances have each other. The slats themselves can be as level Be formed surface. Alternatively, a wavy one and / or a zigzag-shaped profile of the slats favorably. As material for the heat exchanger surfaces are good heat conducting metals, such as copper or Aluminum.

Werden die Lamellen an der Oberfläche mit einer katalytischen Beschichtung versehen, so kann mit dem thermoelektrischen Generator eine Reinigung des Abgasstromes betrieben werden, beispielsweise können Kohlenstoffmonoxide (CO) oder Kohlenwasserstoffe (HC) aus dem Abgasstrom oxidiert werden. Als mögliche Beschichtungen sind hierfür Metalle, Metalloxiden, seltene Erden oder Verbindungen daraus geeignet. Beispielsweise sind Metalle, wie Lanthan, Cobalt, Vanadium, Cer oder Edelmetalle, wie Platin, Silber, Palladium, Rhodium, geeignet. Als geeignetes Metalloxid ist beispielsweise Aluminiumoxid zu nennen.Become the lamellae on the surface with a catalytic Coating provided so can with the thermoelectric generator a purification of the exhaust gas flow are operated, for example can be carbon monoxide (CO) or hydrocarbons (HC) are oxidized from the exhaust stream. As possible coatings are metals, metal oxides, rare earths or Compounds suitable. For example, metals such as lanthanum, Cobalt, vanadium, cerium or precious metals such as platinum, silver, palladium, Rhodium, suitable. As a suitable metal oxide is, for example To call alumina.

Um die Wärmeaufnahme aus dem Abgasstrom weiter zu erhöhen können die Lamellen an deren Oberflächen oberflächenvergrößernde Elemente in Form von Rippen und/oder Noppen und/oder Spitzen und/oder Taschen aufweisen. Die Taschen können auch zur Aufnahme von Ruß und/oder Feinstaub aus dem Abgasstrom dienen und bilden somit einen Filter für den Abgasstrom. Eine Regenerierung oder Reinigung des Filters kann durch Absenken der Wärmeabfuhr auf der Kühlmittelseite erreicht werden, wodurch die Temperatur im Abgaskanal erhöht wird und die Ruß- und/oder Feinstaubpartikel abgebrannt werden.Around to further increase the heat absorption from the exhaust gas flow the lamellas can surface-enlarging on their surfaces Elements in the form of ribs and / or studs and / or tips and / or Have pockets. The bags can also be used for recording of soot and / or particulate matter from the exhaust stream and serve thus form a filter for the exhaust stream. A regeneration or cleaning the filter can be done by lowering the heat dissipation be reached on the coolant side, reducing the temperature is increased in the exhaust passage and the soot and / or Fine dust particles are burned off.

In einer weiteren Ausführung ist zumindest ein Haltelement im Abgaskanal angeordnet, welches das Heatpipe im Abgaskanal befestigt. Das im Abgaskanal angebrachte Halteelement dient als Halterung für die Heatpipes, so dass diese in Durchströmungsrichtung fixiert sind. Das Material der Halteeinrichtungen kann hinsichtlich der thermischen Wärmeausdehnung so ausgebildet sein, dass die Heatpipes aufgrund der thermomechanischen Ausdehnungen nicht im Abgaskanal verspannt werden.In Another embodiment is at least one retaining element arranged in the exhaust duct, which secures the heat pipe in the exhaust duct. The attached in the exhaust duct retaining element serves as a holder for the heatpipes, so this in the flow direction are fixed. The material of the holding devices can with regard to Thermal thermal expansion be designed so that the heatpipes are not due to the thermo-mechanical expansions be braced in the exhaust passage.

In einer besonderen Ausführung ist der thermoelektrische Generator und der Abgaskanal als Schalldämpfer oder Endschalldämpfer einer Brennkraftmaschine ausgebildet. Die Lamellen können dann als Absorberbleche für den Abgasstrom der Brennkraftmaschine fungieren.In a particular embodiment is the thermoelectric generator and the exhaust duct as a muffler or rear silencer an internal combustion engine formed. The slats can then as absorber plates for the exhaust gas flow of the internal combustion engine act.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:preferred Further developments of the invention will become apparent from the following Description. Various embodiments of the invention are without being limited thereto, with reference to the drawings explained in more detail. Showing:

1: Seitenansicht auf einen thermoelektrischen Generator, 1 : Side view of a thermoelectric generator,

2: Weitere Seitenansicht auf einen thermoelektrischen Generator, 2 : Further side view of a thermoelectric generator,

3: Thermoelektrischen Generator mit Abgaskanal; Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben. 3 : Thermoelectric generator with exhaust duct; Hereinafter, the present invention will be described with reference to FIGS 1 to 3 described.

Die 1 zeigt eine Seitenansicht auf einen thermoelektrischen Generator. Dieser besteht im oberen Teil aus einem thermoelektrischen Wandlerelement 1, welches thermische Energie in elektrische Energie umwandelt. In der Regel ist das thermoelektrische Wandlerelement 1 ein Seebeck-Element. Das thermoelektrische Wandlerelement 1 befindet sich auf einem Kontaktkörper 4, der als Wärmespei cher dient. Um eine hohe Menge an elektrischer Energie zu erhalten, muss eine große Temperaturdifferenz zwischen Hochtemperaturabschnitt und Niedrigtemperaturabschnitt des thermoelektrischen Wandlerelements 1 vorhanden sein. Aus diesem Grund wird der Niedrigtemperaturabschnitt des thermoelektrischen Wandlerelements 1 von einer Kühlung 5 durchzogen. Das thermoelektrische Wandlerelement 1 ist zwischen dem Kontaktkörper 4 und der Kühleinheit 5 befestigt, vorzugsweise geklemmt. Über Bohrungen 9 können die einzelnen Elemente weiter verbunden werden.The 1 shows a side view of a thermoelectric generator. This consists in the upper part of a thermoelectric transducer element 1 which converts thermal energy into electrical energy. As a rule, the thermoelectric conversion element 1 a Seebeck element. The thermoelectric conversion element 1 is located on a contact body 4 , which serves as a heat storage. In order to obtain a large amount of electric power, a large temperature difference needs to be made between the high-temperature portion and the low-temperature portion of the thermoelectric conversion element 1 to be available. For this reason, the low-temperature portion of the thermoelectric conversion element becomes 1 from a cooling 5 traversed. The thermoelectric conversion element 1 is between the contact body 4 and the cooling unit 5 attached, preferably clamped. About holes 9 the individual elements can be connected further.

Im unteren Teil der 1 ist das Wärmetauscherelement dargestellt, welches über eine Isolierung 6 vom thermoelektrischen Wandlerelement 1 und dem Kontaktkörper 4 thermisch getrennt ist. Dadurch werden vor allem thermische Verluste, aber auch thermomechanische Verspannungen sehr gering gehalten. Es kann auch ein elastisches Pad zwischen thermoelektrischen Wandlerelement 1 und Kühlung 5 vorhanden sein. Oder eine mechanische Verspannung mit Federn garantiert eine elastische Verspannung, welche Druck von außen auf die Kühlung 5, Kontaktkörper 4 und thermoelektrischen Wandlereinheit 1 aufbringt. Das Wärmetauscherelement befindet sich in einem in 1 nicht dargestellten Abgaskanal und besteht in dieser Ausführung aus drei Heatpipes 2. Die Heatpipes 2 ermöglichen einen schnellen und hohen Wärmetransport aus dem Abgas durch die Isolierung 6 an den Kontaktkörper 4 und somit an das thermoelektrische Wandlerelement 1. Um die Wärmeaufnahme aus dem Abgasstrom zu verbessern, sind an der Oberfläche der Heatpipes 2 Lamellen 3 ausgebildet.In the lower part of the 1 the heat exchanger element is shown, which has an insulation 6 from the thermoelectric conversion element 1 and the contact body 4 is thermally separated. As a result, especially thermal losses, but also thermo-mechanical stresses are kept very low. It can also be an elastic pad between thermoelectric transducer element 1 and cooling 5 to be available. Or a mechanical tension with springs guarantees an elastic tension, which pressure from outside on the cooling 5 , Contact body 4 and thermoelectric conversion unit 1 applies. The heat exchanger element is located in an in 1 not shown exhaust duct and consists in this embodiment of three heat pipes 2 , The heatpipes 2 allow a fast and high heat transfer from the exhaust gas through the insulation 6 to the contact body 4 and thus to the thermoelectric conversion element 1 , In order to improve the heat absorption from the exhaust gas flow, are on the surface of the heat pipes 2 slats 3 educated.

Die oberste Lamelle 8 bildet ein Halteelement aus und ist bezogen auf ihre Dicke stärker ausgebildet und mit Bohrungen versehen, so dass durch dieses Halteelement 8 der thermoelektrische Generator in einen Abgaskanal befestigt werden kann. Analog kann auch die unterste Lammelle ausgebildet sein. Und die oberste und/oder die unterste Lamelle können den Abgaskanal zumindest teilweise bilden.The topmost slat 8th forms a holding element and is based on their thickness stronger and provided with holes, so that by this holding element 8th the thermoelectric generator can be mounted in an exhaust duct. Similarly, the lowest lamella can be formed. And the uppermost and / or the lowest slat may at least partially form the exhaust duct.

Die 2 zeigt den thermoelektrischen Generator aus 1 um 90 Grad gedreht. In dieser Ansicht ist besonders gut zu erkennen, dass die Heatpipes 2 in den Kontaktköper 4 münden und den Hochtemperaturabschnitt bilden. An diesen Kontaktköper 4 schließt der Hochtemperaturabschnitt der beiden Seebeck-Elemente 1 an. Ebenfalls über Isolierungen 6 getrennt, befinden sich rechts und links die Kühlung 5 jeweils auf der Niedrigtemperaturseite der Seebeck-Elemente, um einen möglichst hohe Temperaturdifferenz zu erzeugen. Über die Bohrungen 9 sind der Kontaktkörper 4 und die Kühlungen 5 miteinander verbunden.The 2 shows the thermoelectric generator 1 turned 90 degrees. In this view is particularly good to see that the heatpipes 2 in the contact body 4 lead to and form the high-temperature section. At this contact body 4 closes the high-temperature section of the two Seebeck elements 1 at. Also about insulation 6 disconnected, cooling is on the right and left 5 each on the low temperature side of the Seebeck elements to produce the highest possible temperature difference. About the holes 9 are the contact body 4 and the cooling 5 connected with each other.

Im unteren Teil der 2 ist ebenfalls analog zur Ausführung der 1 das Wärmetauscherelement dargestellt, welches über eine Isolierung vom thermoelektrischen Wandlerelement 1 und dem Kontaktkörper 4 thermisch getrennt ist.In the lower part of the 2 is also analogous to the execution of 1 the heat exchanger element shown, which via an insulation from the thermoelectric conversion element 1 and the contact body 4 is thermally separated.

Die 3 zeigt einen thermoelektrischen Generator der über das Halteelement 8 mit dem Abgaskanal 7 verbunden werden kann. Der Abgaskanal 7 ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl gebildet. Um die unteren Enden der drei Heatpipes 2 im Abgaskanal 7 zu befestigen, sind in dieser weiteren Ausführung weitere Haltelemente 10 im Abgaskanal angeordnet. Die im Abgaskanal 7 angebrachten Halteelemente 10 dienen als Halterung für die Heatpipes, so dass diese in Durchströmungsrichtung fixiert sind. Das Material der Halteeinrichtungen 10 kann hinsichtlich der thermischen Wärmeausdehnung so ausgebildet sein, dass die Heatpipes 2 aufgrund der thermomechanischen Ausdehnungen nicht im Abgaskanal 7 verspannt werden.The 3 shows a thermoelectric generator via the retaining element 8th with the exhaust duct 7 can be connected. The exhaust duct 7 is preferably formed of stainless steel. To the lower ends of the three heatpipes 2 in the exhaust duct 7 to attach, in this further embodiment, further holding elements 10 arranged in the exhaust duct. The in the exhaust duct 7 attached holding elements 10 serve as a holder for the heatpipes, so that they are fixed in the direction of flow. The material of the holding devices 10 may be formed in terms of thermal expansion so that the heat pipes 2 due to the thermo-mechanical expansions not in the exhaust duct 7 be tense.

11
Thermoelektrisches Wandlerelementthermoelectric transducer element
22
HeatpipeHeatpipe
33
Wärmetauscherfläche/LamelleHeat exchange surface / plate
44
KontaktkörperContact body
55
Kühlungcooling
66
Isolierunginsulation
77
Abgaskanalexhaust duct
88th
Haltelement/Oberste LamelleHolding element / Supreme lamella
99
Bohrungdrilling
1010
Halteelementretaining element

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (13)

Thermoelektrischer Generator für einen Abgasstrom, der an einem Abgaskanal (7) angeschlossen ist, wobei zumindest ein thermoelektrisches Wandlerelement (1) angeordnet ist, welches thermische Energie in elektrische Energie umwandelt und ein Wärmetauscherelement, welches zumindest teilweise an einer Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements (1) und zumindest teilweise im Abgaskanal (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Heatpipe (2) im Abgaskanal (7) angeordnet ist, welches die thermische Energie des Abgasstromes zur Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements (1) leitet.Thermoelectric generator for an exhaust gas flow, which is connected to an exhaust gas duct ( 7 ), wherein at least one thermoelectric conversion element ( 1 ), which converts thermal energy into electrical energy, and a heat exchanger element which is at least partially attached to a surface of the thermoelectric conversion element ( 1 ) and at least partially in the exhaust duct ( 7 ), characterized in that at least one heat pipe ( 2 ) in the exhaust duct ( 7 ), which determines the thermal energy of the exhaust gas flow to the surface of the thermoelectric conversion element ( 1 ). Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Wandlerelement (1) ein Seebeck-Element ist.Thermoelectric generator according to claim 1, characterized in that the thermoelectric conversion element ( 1 ) is a Seebeck element. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Wandlerelement (1) ein Peltier-Element ist, welches elektrische Energie in thermische Energie umwandelt.Thermoelectric generator according to claim 1 or 2, characterized in that the thermoelectric conversion element ( 1 ) is a Peltier element that converts electrical energy into thermal energy. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittel (5) an der Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements (1) angeordnet ist.Thermoelectric generator according to one of claims 1 to 3, characterized in that a coolant ( 5 ) on the surface of the thermoelectric conversion element ( 1 ) is arranged. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen thermoelektrischem Wandlerelement (1) und Abgaskanal (7) zumindest ein Isolierelement (6) angeordnet ist, welches das Wandlerelement (1) und den Abgaskanal (7) thermisch trennt.Thermoelectric generator according to one of claims 1 to 4, characterized in that between thermoelectric transducer element ( 1 ) and exhaust duct ( 7 ) at least one insulating element ( 6 ) is arranged, which the transducer element ( 1 ) and the exhaust channel ( 7 ) thermally separates. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kontaktkörper (4) angeordnet ist, wobei das thermoelektrische Wandlerelement (1) zwischen Kontaktkörper (4) und Kühlung (5) befestigt, vorzugsweise geklemmt, ist.Thermoelectric generator according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one contact body ( 4 ), wherein the thermoelectric conversion element ( 1 ) between contact bodies ( 4 ) and cooling ( 5 ), preferably clamped, is attached. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Heatpipes (2) mehrere Wärmetauscherflächen (2) angeordnet sind.Thermoelectric generator according to one of claims 1 to 6, characterized in that on the surface of the heatpipe ( 2 ) a plurality of heat exchanger surfaces ( 2 ) are arranged. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherflächen (2) als Lamellen ausgebildet sind und gleiche oder ungleiche Abstände voneinander haben.Thermoelectric generator according to claim 7, characterized in that the heat exchanger surfaces ( 2 ) are formed as lamellae and have equal or unequal distances from each other. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (2) als ebene Fläche ausgebildet sind oder ein gewelltes und/oder zick-zack förmiges Profil aufweisen.Thermoelectric generator according to one of claims 7 and 8, characterized in that the lamellae ( 2 ) are formed as a flat surface or have a corrugated and / or zigzag-shaped profile. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (2) an der Oberfläche eine katalytische Beschichtung aufweisen.Thermoelectric generator according to one of claims 7 to 9, characterized in that the lamellae ( 2 ) have a catalytic coating on the surface. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (2) an der Oberfläche oberflächenvergrößernde Elemente in Form von Rippen und/oder Noppen und/oder Spitzen und/oder Taschen aufweisen.Thermoelectric generator according to claim 10, characterized in that the lamellae ( 2 ) have on the surface surface enlarging elements in the form of ribs and / or knobs and / or tips and / or pockets. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Haltelement (10) im Abgaskanal (7) angeordnet ist, welches das Heatpipe (2) im Abgaskanal (7) befestigt.Thermoelectric generator according to one of claims 1 to 11, characterized in that at least one holding element ( 10 ) in the exhaust duct ( 7 ) is arranged, which the heat pipe ( 2 ) in the exhaust duct ( 7 ) attached. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator und der Abgaskanal (7) als Schalldämpfer einer Brennkraftmaschine ausgebildet sind und die Lamellen (3) Absorberbleche für den Abgasstrom der Brennkraftmaschine ausbilden.Thermoelectric generator according to one of claims 1 to 12, characterized in that the thermoelectric generator and the exhaust duct ( 7 ) are formed as a muffler of an internal combustion engine and the fins ( 3 ) Form absorber plates for the exhaust gas flow of the internal combustion engine.
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