DE102005005077B4

DE102005005077B4 - Thermoelektrischer Generator für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005005077B4
Application number: DE102005005077A
Authority: DE
Inventors: Kouji verstorben Toyota Shimoji; Kouichi Toyota Suzuki; Shinya Nagoya Matsubara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2025-02-04
Also published as: CN1652370B; CN1652370A; JP4423989B2; DE102005005077A1; US20050172993A1; CN101277082A; JP2005223131A

Abstract

Thermoelektrischer Generator (20) für eine Brennkraftmaschine (11), die an einen Abgaskanal (17) angeschlossen ist, wobei der Generator (20) ein heißes Teil (32, 35) aufweist, welches an dem Abgaskanal (17) angeordnet ist, und ein kaltes Teil (42) aufweist, welches außerhalb von dem heißen Teil (32, 35) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermoelektrisches Generatorelement (41), das Wärmeenergie aus dem Abgas in dem Abgaskanal (17) in elektrische Energie umwandelt, vermittels eines konzentrisch um den Abgaskanal (17) angeordneten Halteteiles (52) an die Oberfläche des Abgaskanals (17) gepresst wird, wobei zwischen dem kalten Teil (42) und dem Halteteil (52) ferner ein elastisches Teil (50) angeordnet ist, um das thermoelektrische Generatorelement (41) in einem Zustand zu halten, in welchem es zwischen dem heißen Teil (32, 35) und dem kalten Teil (42) derart eingepresst ist, dass das thermoelektrische Generatorelement (41) in Reaktion auf eine thermische Ausdehnung relativ sowohl zu dem heißen Teil (32, 35) als auch...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator und spezieller einen thermoelektrischen Generator, um thermische Energie eines Abgases einer Brennkraftmaschine in elektrische Energie umzuwandeln.
Die Erzeugung von elektrischer Energie unter Verwendung eines thermoelektrischen Generatorelements, welches thermische Energie in elektrische Energie umwandelt, ist gemäß dem Stand der Technik bekannt. Das thermoelektrische Generatorelement macht Gebrauch von dem Seeback-Effekt, bei dem die Temperaturdifferenz zwischen zwei Enden (einem Hochtemperaturabschnitt und einem Niedrigtemperaturabschnitt) eines Metalls oder eines Halbleiterteiles eine Potenzialdifferenz zwischen dem Hochtemperaturabschnitt und dem Niedrigtemperaturabschnitt des Metalls oder des Halbleiterteiles hervorruft. Eine größere Temperaturdifferenz erhöht die elektrische Energie, die durch das thermoelektrische Generatorelement erzeugt wird.
1 zeigt ein Beispiel einer Konstruktion eines thermoelektrischen Generatorelements. Wie in 1 gezeigt ist, enthält das thermoelektrische Generatorelement n-leitende und p-leitende Halbleiter. Jeder n-leitende Halbleiter besitzt einen Hochtemperaturabschnitt, der als ein positiver Pol funktioniert, und einen Niedrigtemperaturabschnitt, der als negativer Pol funktioniert. Um eine große Menge an elektrischer Energie zu erzeugen, sind die n-leitenden und p-leitenden Halbleiter abwechselnd in Reihe geschaltet, um einen Elektrodenmodul zu bilden.
Die offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2002-325470 beschreibt ein Beispiel einer Anwendung für solch ein thermoelektrisches Generatorelement. Spezifischer ausgedrückt, ist ein Rahmen in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet. Eine Seite eines thermoelektrischen Generatorelements kontaktiert die Umfangsfläche des Rahmens. Die gegenüber liegende Seite des thermoelektrischen Generatorelements kontaktiert einen Kühlmechanismus. Durch Anordnen des thermoelektrischen Generatorelements in dieser Weise, kann thermische Energie aus dem Abgas in elektrische Energie umgewandelt werden.
Ein Klebemittel fixiert wenigstens entweder den Rahmen an dem thermoelektrischen Generatorelement oder das thermoelektrische Generatorelement an dem Kühlmechanismus.
Ein fixiertes Teil (Rahmen oder Kühlmechanismus), an welchem das thermoelektrische Generatorelement angebracht ist, kann einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der sich von demjenigen des thermoelektrischen Generatorelements unterscheidet. Wenn in diesem Fall die Temperatur des fixierten oder ortsfesten Teiles und des thermoelektrischen Generatorelements geändert wird, unterscheidet sich der Verformungsbetrag des fixierten oder ortsfesten Teiles von demjenigen des thermoelektrischen Generatorelements. Daher wirkt eine thermische Spannung auf das thermoelektrische Generatorelement. Dies kann eine Beschädigung oder Zerstörung an dem thermoelektrischen Generatorelement bewirken.
Aus der Druckschrift JP 2002-325 470 A , der Druckschrift DE 101 07 419 A1 , der Druckschrift CH 74178 sowie der Druckschrift DE 100 41 955 A1 sind weitere Anordnungen für thermoelektrische Generatoren für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des geltenden Patentanspruchs 1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen thermoelektrischen Generator für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welcher die Möglichkeit reduziert, dass ein thermoelektrisches Generatorelement beschädigt wird.
Die Aufgabe wird durch einen Generator gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator für eine Brennkraftmaschine, die an einen Abgaskanal angeschlossen ist. Der Gene rator enthält ein heißes Teil, welches an dem Abgaskanal angeordnet ist. Ein kaltes Teil ist außerhalb des heißen Teiles angeordnet. Ein thermoelektrisches Generatorelement, welches zwischen dem heißen und dem kalten Teil in einer Weise angeordnet ist, so dass es relativ zu sowohl dem heißen Teil als auch dem kalten Teil bewegbar ist, wandelt Wärmeenergie aus dem Abgas in dem Abgaskanal in elektrische Energie um.
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich klarer aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die anhand eines Beispiels die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann in Verbindung mit Zielen und Vorteilen derselben am besten unter Hinweis auf die folgende Beschreibung von momentan bevorzugten Ausführungsformen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen verstanden werden, in welchen zeigen:
1 ein schematisches Diagramm, welches die Konstruktion eines thermoelektrischen Generatorelements zeigt;
2 ein schematisches Diagramm, welches ein Abgassystem eines Fahrzeugs wiedergibt, in welchem ein thermoelektrischer Generator gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung inkorporiert ist;
3 eine perspektivische Ansicht, die den thermoelektrischen Generator wiedergibt;
4 eine Teil-Schnittansicht, die den thermoelektrischen Generator von 2 darstellt;
5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5-5 in 4;
6 eine schematische Querschnittsansicht, die einen thermoelektrischen Generator gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des Abgases darstellt;
7 eine schematische Querschnittsansicht, die einen thermoelektrischen Generator gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des Abgases veranschaulicht;
8 eine schematische Querschnittsansicht, die einen thermoelektrischen Generator gemäß einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases wiedergibt; und
9 ein schematisches Diagramm, welches den Ort eines thermoelektrischen Generators gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente, und zwar durchgehend.
Ein thermoelektrischer Generator 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mm unter Hinweis auf die 2 bis 5 erläutert.
2 zeigt schematisch ein Abgassystem 12 eines Fahrzeugs 1, in welchem der thermoelektrische Generator 20 inkorporiert ist.
Wie in 2 gezeigt ist, enthält das Abgassystem 12 einen Abgaskanal 17. Von der stromaufwärtigen Seite in Bezug auf die Strömung des Abgases enthält der Abgas kanal 17 einen Abgasverteiler 13, den thermoelektrischen Generator 20 und einen Auspufftopf 16. In dem Abgassystem 12 strömt das Abgas, welches von einer Brennkraftmaschine 11 ausgestoßen wird, durch den Abgasverteiler 13, der thermoelektrischen Generator 20 und den Auspufftopf 16, um dann in die Atmosphäre ausgetragen zu werden.
Der thermoelektrische Generator 20 wird nun unter Hinweis auf die 3 bis 5 erläutert.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die den thermoelektrischen Generator 20 zeigt. 4 ist eine Teil-Querschnittsansicht, die den thermoelektrischen Generator 20 darstellt. Wie in 4 gezeigt ist, enthält der thermoelektrische Generator 20 einen Abgaskatalysator 30 und einen thermoelektrischen Generatorstapel 40.
Der Abgaskatalysator 30 enthält einen zylinderförmigen Katalysatorträger 31 und ein Gehäuse 32, welches den Katalysatorträger 31 aufnimmt. Der Katalysatorträger 31 trägt einen Katalysator. Wenn der Katalysator eine vorbestimmte Aktivierungstemperatur erreicht, reinigt der Katalysator Abgaskomponenten, wie beispielsweise Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffoxide (NOx).
Das Gehäuse 32 besteht aus rostfreiem Stahl, welches ein Material ist, welches eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit besitzt und auch eine relativ hochwertige Antikorrosionseigenschaft aufweist. Bei dieser Ausführungsform wird austenit-rostfreier Stahl (z. B. SUS 303 oder SUS 304) mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet, der relativ höher ist als bei anderen rostfreien Stählen, um das Gehäuse 32 zu bilden. Das Gehäuse 32 besitzt offene Enden. Ein stromaufwärtiger Flansch 33 ist mit dem Abgasverteiler 13 verbunden und ist an einem Ende des Gehäuses 32 angeordnet. Ein stromabwärtiger Flansch 34 ist mit dem Abgaskanal 17 verbunden und ist an dem anderen Ende des Gehäuses 32 angeordnet. Auf diese Weise bildet der Abgaskanal 17 einen Teil des Gehäuses 32 und wenigstens einen Teil eines heißen Teiles. Das Gehäuse 32 ist über einen Presssitz in einer Hülse 35 aufgenommen. Die Hülse 35 ist aus einem Material mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit und einer relativ hochwertigen Antikorrosionseigenschaft hergestellt (z. B. rostfreiem Stahl, einer Aluminiumlegierung oder Kupfer). Somit überträgt die Hülse 35 leicht Wärme auf das Gehäuse 32. Die Hülse 35 bildet einen Teil des heißen Teiles.
Der thermoelektrische Generatorstapel 40 enthält eine Vielzahl an thermoelektrischen Generatorelementen 41 und einen Kühlmechanismus 42. Jedes thermoelektrische Generatorelement 41 besitzt die gleiche Konstruktion oder Struktur wie diejenige, die in 1 gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform besitzt jedes thermoelektrische Generatorelement 41 zwei Seiten, auf welchen Elektroden angeordnet sind. Die Elektroden sind mit einem amorphen Kohlenstofffilm 41a (DLC-Film) beschichtet. Der Reibungskoeffizient des amorphen Kohlenstofffilms 41a ist relativ klein. Ferner besitzt der amorphe Kohlenstofffilm 41a eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit, thermische Leitfähigkeit, Wärmewiderstand und auch Abriebwiderstandseigenschaften.
Die thermoelektrischen Generatorelemente 41 sind an der Umfangsfläche der Hülse 35 in der axialen Richtung des Abgaskatalysators 30 angeordnet, das heißt in der Strömungsrichtung des Abgases. Die Oberfläche, welche die periphere Oberfläche der Hülse 35 in jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 kontaktiert (im Folgenden also Oberfläche H bezeichnet) funktioniert als eine Hochtemperaturfläche.
Der Kühlmechanismus 42 ist auf der Oberfläche von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 angeordnet, welches gegenüber der Oberfläche H liegt. Ein Kühlmittel, welches als eine Kühlmedium wirkt, strömt durch den Kühlmechanismus 42. Von der stromaufwärtigen Seite in Bezug auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels enthält der Kühlmechanismus 42 ein Einlassrohr 43, einen ersten Sammelabschnitt 44, Verteilerrohre 45, Kühlabschnitte 46, einen zweiten Sammelabschnitt 47 und ein Austragrohr 48. Der Kühlmechanismus 42 funktioniert als Kühlteil.
Der erste Sammelabschnitt 44 und der zweite Sammelabschnitt 47 bestehen aus ringförmigen Rohren, die außerhalb der Umfangsfläche des Gehäuses 32 angeordnet sind. Der erste Sammelabschnitt 44 ist stromaufwärts von dem zweiten Sammelabschnitt 47 in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung angeordnet. Die Verteilerrohre 45, die sich in der axialen Richtung des Abgaskatalysators 30 erstrecken, verbinden den ersten Sammelabschnitt 44 und den zweiten Sammelabschnitt 47.
Jedes Verteilerrohr 45 enthält Kühlabschnitte 46, welche die zugeordneten thermoelektrischen Generatorelemente 41 kühlen. Die Oberfläche von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41, welche den zugeordneten Kühlabschnitt 46 kontaktiert (im Folgenden als Oberfläche C bezeichnet) funktioniert als Niedrigtemperaturfläche. Das Kühlmittel wird in jeden Kühlabschnitt 46 über das zugeordnete Verteilerrohr 45 angesaugt.
Das Einlassrohr 43 ist mit einem oberen Teil des ersten Sammelabschnitts 44 verbunden. Es wird Kühlmittel in den ersten Sammelabschnitt 44 über das Einlassrohr 43 eingesaugt. Das Austragrohr 48 ist mit einem unteren Teil des zweiten Sammelabschnitts 47 auf der stromabwärtigen Seite in Bezug auf die Strömung des Abgases verbunden. Es wird Kühlmittel in das Kühlsystem von dem zweiten Sammelabschnitt 47 über das Austragrohr 48 ausgetragen. Bei dieser Anordnung strömt das Kühlmittel nach unten in den Kühlmechanismus 42 und in der Richtung der Abgasströmung.
5 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5-5 in 4. Wie in 5 gezeigt ist, ist der Katalysatorträger 41 in das Gehäuse 32 eingeführt. Das Gehäuse 32 ist in die Hülse 35 eingesetzt, die oktagonal ausgebildet ist. Der Träger 31 wird durch Tiefziehen hergestellt und besteht aus Metall. Spezifischer ausgedrückt, besitzt der Träger 31 eine honigwabenartige Struktur. Poren erstrecken sich durch den Träger 31 in der axialen Richtung. Die Wandflächen, welche die Poren definieren, sind aus gesintertem Metall hergestellt. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine Legierung verwendet, die durch Hinzufügen von Chrom oder Aluminium zu Stahl hergestellt wird. Es kann jedoch irgendein Metall verwendet werden, solange dieses eine verbesserte Wärmewiderstandseigenschaft besitzt.
Die Hülse 35 besitzt eine Umfangsfläche mit acht flachen Ebenen, die sich in der axialen Richtung des Gehäuses 32 erstrecken.
Die thermoelektrischen Generatorelemente 41 sind in Kontakt mit der Umfangsfläche der Hülse 35 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform sind vier thermoelektrische Generatorelemente 41 auf jeder der acht flachen Ebenen bzw. Flächen der Hülse 35 in der axialen Richtung der Hülse 35 angeordnet. Es sind somit eine Gesamtzahl von zweiunddreißig (8 × 4) thermoelektrischen Generatorelementen 41 an der Umfangsfläche der Hülse 35 angeordnet. Ferner sind die thermoelektrischen Generatorelemente 41 in gleichen Winkelintervallen (45°) angeordnet.
In jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 kontaktiert die Oberfläche C den zugeordneten Kühlabschnitt 46. Ferner sind gemäß der Darstellung in 5 eine Vielzahl von Wärmeabstrahlrippen 49 an jedem Kühlabschnitt 46 ausgebildet.
Eine Belleville-Feder 50 und eine Unterlegscheibe 41 sind an der Fläche von jedem Kühlabschnitt 46 gegenüber der Oberfläche angeordnet, die das zugeordnete thermoelektrische Generatorelement 41 kontaktiert. Ein Band 52 fixiert jeden Kühlabschnitt 46 mit dem zugeordneten thermoelektrischen Generatorelement 41 mit Hilfe der entsprechenden Belleville-Feder 50 und der Unterlegscheibe 51. Demzufolge befestigt das Band 52, welches als Befestigungsteil fungiert, integral den Kühlabschnitt 46, die zugeordneten thermoelektrischen Generatorelemente 41, die Hülse 35 und das Gehäuse 32. Jedes thermoelektrische Generatorelement 41 wird in einem Zustand gehalten, in welchem es zwischen dem Kühlabschnitt 46 und der Hülse 35 gepresst wird. Auf diese Weise wird jedes thermoelektrische Generatorelement 41 in einer bewegbaren Weise zwischen dem zugeordneten Kühlabschnitt 46 des Kühlmechanismus 42 und der Hülse 35 gehalten, die einen Teil des heißen Teiles bildet. Bei dieser Ausführungsform ist das Band 52 aus Metall hergestellt. Jedoch kann das Band 52 aus irgendwelchen anderen Materialien hergestellt sein. Ferner kann als elastisches Teil ein Gummiteil anstelle der Belleville-Feder 50 verwendet werden.
Bei dem thermoelektrischen Generator 20 wird jedes thermoelektrische Generatorelement 41 in einem Zustand gehalten, in welchem es zwischen der Hülse 35 und dem Kühlabschnitt 46 eingepresst ist. Mit anderen Worten wird das thermoelektrische Generatorelement 41 in einem Zustand gehalten, in welchem es nicht vollständig an der Hülse 35 oder dem Kühlabschnitt 46 fixiert ist. Demzufolge ist das thermoelektrische Generatorelement 41 relativ zu sowohl der Hülse 35 als auch dem Kühlabschnitt 46 bewegbar. Wenn der Verformungsbetrag der thermoelektrischen Generatorelemente 41 sich von demjenigen der Hülse 35 unterscheidet, und zwar auf Grund der Differenz zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, bewegen sich die thermoelektrischen Generatorelemente 41 und die Hülse 35 relativ zueinander. Dies reduziert dann die Spannung, die auf die thermoelektrischen Generatorelemente 41 wirkt. Als ein Ergebnis wird die thermische Spannung, die durch die Differenz in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und der Hülse 35 erzeugt wird und die auf die Kühlabschnitte 46 wirkt, reduziert. Da auf diese Weise die thermoelektrischen Generatorelemente 41 relativ zu den Kühlabschnitten 46 bewegbar sind, wird das Aufbringen einer thermischen Spannung, die durch die Differenz in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und dem Kühlabschnitt 46 erzeugt wird, auf die thermoelektrischen Generatorelemente 41 unterdrückt. Dies reduziert die Möglichkeit von Beschädigungen, die an den thermoelektrischen Generatorelementen 41 auftreten können.
Die thermoelektrischen Generatorelemente 41 sind relativ sowohl zu der Hülse 35 als auch zu den Kühlabschnitten 46 bewegbar. Ferner kontaktieren die thermoelektrischen Generatorelemente 41 direkt die Hülse 35 und die Kühlabschnitte 46. Dies stellt die Erzeugung an elektrischer Energie vermittels der Temperaturdifferenz zwischen der Hülse 35 und den Kühlabschnitten 46 sicher.
Das Band 52 befestigt integral die thermoelektrischen Generatorelemente 41, die Hülse 35 und die Kühlabschnitte 46. Auf diese Weise werden die thermoelektrischen Generatorelemente 41 in einem Zustand gehalten, in dem sie durch eine einfache Konstruktion gepresst werden.
Die thermoelektrischen Generatorelemente 41 sind nicht vollständig befestigt oder ortsfest. Dies vereinfacht auch die Erneuerung der thermoelektrischen Generatorelemente 41.
Durch eine Erhöhung der Adhäsion zwischen den thermoelektrischen Generatorelementen und dem heißen Teil oder der Adhäsion zwischen den thermoelektrischen Generatorelementen und dem kalten Teil kann die Wärme, die von dem heißen Teil auf die thermoelektrischen Generatorelemente oder von den thermoelektrischen Generatorelementen auf das kalte Teil übertragen wird, erhöht werden, um die elektrische Energie zu erhöhen, die durch die thermoelektrischen Generatorelemente erzeugt wird. Wenn jedoch der Druck, der zwischen den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und dem heißen Teil zur Erhöhung der Adhäsion vergrößert wird, kann das heiße Teil verformt werden. Um solch eine Verformung des heißen Teiles bei dieser Ausführungsform zu unterdrücken, wird die Hülse 35, die als heißes Teil fungiert, an der Umfangsfläche des Gehäuses 32 angeordnet und die Oberfläche H von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 steht in Kontakt mit der Hülse 35. Die Hülse 35 erhöht die Steifigkeit des heißen Teiles, welches die Hülse 35 enthält. Demzufolge wird die Verformung des heißen Teiles (des Gehäuses 32) selbst dann unterdrückt, wenn der Druck in der oben beschriebenen Weise erhöht wird.
Jedes thermoelektrische Generatorelement 41 ist allgemein flach ausgebildet und die Hülse 35 ist polygonal ausgebildet. Mit anderen Worten sind die Oberflächen der Hülse 35 und die Oberflächen H der thermoelektrischen Generatorelemente 41 in Entsprechung zueinander gestaltet. Dies stellt die Adhäsion zwischen den Oberflächen H der thermoelektrischen Generatorelemente 41 und der Hülse 35 sicher.
Das Gehäuse 32 ist aus austenit-rostfreiem Stahl hergestellt. Daher ist im Vergleich zu dem Fall, wenn andere rostfreie Stähle verwendet werden, die thermische Ausdehnung des Gehäuses 32 groß. Die radiale Ausdehnung des Gehäuses 32 drückt die Hülse 35 zu den thermoelektrischen Generatorelementen 41 hin. Dies erhöht die Adhäsion zwischen der Hülse 35 und den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und erhöht die Wärmemenge, die von der Hülse 35 auf die thermoelektrischen Generatorelemente 41 übertragen wird. Als ein Ergebnis wird die elektrische Energie, die durch die thermoelektrischen Generatorelemente 41 erzeugt wird, weiter erhöht.
Der Abgaskatalysator 30 ist in dem Gehäuse 32 angeordnet. Wenn Abgas gereinigt wird, hebt die chemische Reaktionswärme die Temperatur des Abgaskatalysators 30 an. Somit liegt dann die Temperatur des Abgaskatalysators 30 höher als diejenige des Abgasverteilers 13 und des Abgaskanals 17. Dies erhöht weiter die Temperatur des Gehäuses 32 im Vergleich zu einem Fall, wenn der Abgaskatalysator 30 nicht verwendet wird. Demzufolge wird die Temperatur der Hülse 35, die in Kontakt mit der Umfangsfläche des Gehäuses 32 steht, weiter erhöht. Dies erhöht dann weiter die Menge der elektrischen Energie, die durch die thermoelektrischen Generatorelemente 41 erzeugt wird. Eine weitere Erhöhung der Temperatur der Hülse 35 erhöht die Verformung, die durch die thermische Ausdehnung verursacht wird. Selbst wenn jedoch die thermische Ausdehnung das heiße Teil verformt, wird der thermoelektrische Generator 20 daran gehindert, bei der Beschädigung der thermoelektrischen Generatorelemente 41 beteiligt zu sein. Ferner sind der Abgaskatalysator 30 und der thermoelektrische Generator 20 zusammenhängend ausgebildet. Bei dieser Konstruktion kann das gesamte Abgasgerät für die Brennkraftmaschine kompakt ausgeführt werden, und zwar im Vergleich mit einem Fall, bei dem der Abgaskatalysator 30 und der thermoelektrische Generator 20 getrennt in dem Abgaskanal 17 angeordnet sind.
Die Abgastemperatur steigt an, wenn die Brennkraftmaschine in einem Zustand betrieben wird, in welchem die Maschinengeschwindigkeit und die Last hoch sind. Es besteht daher eine Neigung dafür, dass eine Verschlechterung in dem Abgaskatalysator 30 auf Grund der hohen Temperatur auftritt. Bei dieser Ausführungsform wird jedoch die Hitze des Abgaskatalysators 30 durch die thermoelektrischen Generatorelemente 41 verbraucht. Dies unterdrückt eine Hochtemperaturverschlechterung des Abgaskatalysators 30.
Der Träger 31 des Abgaskatalysators 30 ist aus Metall hergestellt. Der Metallträger überträgt in einfacher Weise die chemische Reaktionswärme, die dieser erzeugt, und auch die Abgaswärme. Demzufolge ist die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit eines Metallträgers höher als diejenige eines Keramikträgers. Daher wird somit die Temperatur eines Metallträgers höher als diejenige eines Keramikträgers, und zwar schneller. Demzufolge wird bei dieser Ausführungsform die Temperatur der Hochtemperaturoberfläche H in jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 unmittelbar weiter angehoben. Dies erhöht ferner die elektrische Energie, welche durch die thermoelektrischen Generatorelemente 41 erzeugt wird. Solch ein Metallträger kann aus einer Vielzahl von laminierten dünnen Metallplatten hergestellt sein oder aus einer spiralförmigen dünnen Metallplatte. Jedoch ist die Steifigkeit eines Trägers, der aus solchen dünnen Platten hergestellt ist, niedrig. Demzufolge können dünne Metallplatten einfach durch externen Druck verformt werden. Daher kann ein Druck, der über das Gehäuse 32 aufgebracht wird, die dünne Metallplatte verformen und in einigen Fällen zu einer Beschädigung an dem Träger führen. Um solch ein Problem zu vermeiden, ist der Metallträger 31 dieser Ausführungsform durch Extrusionstechnik hergestellt. Ferner sind eine Vielzahl der Wände zusammenhängend mit dem Träger 31 ausgebildet. Somit besitzt der Träger 31 im Vergleich zu einem Träger, der aus dünnen Metallplatten hergestellt ist, eine hohe Steifigkeit. Daher ist auch der Verformungsbetrag, der sich aus einer externen Kraft ergibt, geringer. Demzufolge wird die Verformung des Trägers 31 unterdrückt, und zwar selbst wenn ein Druck auf den Träger 31 aufgebracht wird, und erhöht wird, um den Betrag der erzeugten elektrischen Energie zu vergrößern.
Der Kühlmechanismus 42, durch den das Kühlmittel fließt, ist an den Niedrigtemperaturoberflächen C der thermoelektrischen Generatorelemente 41 angeordnet, um die Niedrigtemperaturoberflächen C ausreichend zu kühlen. Ferner strömt das Kühlmittel in den Kühlmechanismus 42 nach unten hin. Dies erzeugt eine Wertedifferenz zwischen dem stromaufwärtigen Teil des Kühlmechanismus 42, an welchem das Kühlmittel ange saugt wird, und dem stromabwärtigen Teil. Das Kühlmittel strömt daher effizient durch den Kühlmechanismus 42 hindurch. Ferner strömt das Kühlmittel in der gleichen Richtung wie das Abgas. Mit anderen Worten strömt das Kühlmittel stromabwärts, und zwar in Bezug auf die Strömung des Abgases. Dies führt zu einer effizienten Kühlung des gesamten Kühlmechanismus 42.
Die Hochtemperaturoberfläche H und die Niedrigtemperaturoberfläche C von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 ist mit einem amorphen Kohlenstofffilm 41a beschichtet. Der amorphe Kohlenstofffilm 41a oder der diamantähnliche Kohlenstofffilm (DLC) besitzt einen relativ kleinen Reibungskoeffizienten. Daher ist der Bewegungswiderstand zwischen den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und dem Teil, welches die thermoelektrischen Generatorelemente 41 kontaktiert (die Hülse 35 und die Kühlabschnitte 46), relativ klein. Daher können sich die thermoelektrischen Generatorelemente 41 einfach auf der Hülse 35 und den Kühlabschnitten 46 bewegen. Dies reduziert in ausreichender Weise die Möglichkeit von Beschädigungen, die an den thermoelektrischen Generatorelementen 41 auftreten können. Der amorphe Kohlenstofffilm 41a besitzt eine relativ gute elektrische Isoliereigenschaft. Dies stellt eine Isolation zwischen den hochtemperaturseitigen Elektroden der thermoelektrischen Generatorelemente 41 und zwischen den niedrigtemperaturseitigen Elektroden der thermoelektrischen Generatorelemente 41 sicher. Der amorphe Kohlenstofffilm 41a besitzt eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit. Dies stellt die Erzeugung der elektrischen Energie in Entsprechung zu der Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Teilen sicher. Ferner besitzt der amorphe Kohlenstofffilm 41a einen relativ guten Wärmewiderstand und Abriebwiderstandseigenschaften. Dies stellt die Erzeugung der elektrischen Energie über eine lange Zeitperiode sicher.
Der thermoelektrische Generator 20 dieser Ausführungsform besitzt die im Folgenden beschriebenen Vorteile.

(1) Die thermoelektrischen Generatorelemente 41 sind relativ sowohl zu dem heißen Teil (Hülse 35) als auch zu dem Kühlteil (Kühlabschnitte 46) bewegbar. Dies reduziert die Möglichkeit, dass die Differenz zwischen den therapeutischen Ausdehnungskoeffizienten der heißen und kalten Teile und der thermoelektrischen Generatorelemente 41 zu einer Beschädigung an den thermoelektrischen Generatorelementen 41 führt. Die thermoelektrischen Generatorelemente 41 sind relativ sowohl zu dem heißen Teil als auch dem kalten Teil bewegbar. Ferner kontaktieren die thermoelektrischen Generatorelemente 41 direkt die heißen und kalten Teile. Dies stellt die Erzeugung von elektrischer Energie in Entsprechung zu der Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Teilen in einer optimalen Weise sicher.
(2) Jedes thermoelektrische Generatorelement 41 wird in einem Zustand gehalten, in dem es durch die heißen und kalten Teile gepresst gehalten ist. Demzufolge ist das thermoelektrische Generatorelement 41 nicht vollständig an den heißen und kalten Teilen befestigt oder an diesen fixiert. Das thermoelektrische Generatorelement 41 ist somit relativ zu den heißen und kalten Teilen bewegbar.
(3) Die thermoelektrischen Generatorelemente 41 sind nicht vollständig fixiert. Dies vereinfacht den Ersatz der thermoelektrischen Generatorelemente 41.
(4) Die Bänder 52 befestigen integral die thermoelektrischen Generatorelemente 41, das heiße Teil und das kalte Teil. Somit werden die thermoelektrischen Generatorelemente 41 in einem gedrückten Zustand einfach durch eine einfache Konstruktion gehalten.
(5) Die Hülse 35, die einen Teil des heißen Teiles bietet, ist an der Umfangsfläche des Gehäuses 32 angeordnet, die einen Teil des Abgaskanals bildet. Dies erhöht die elektrische Energie, die durch die thermoelektrischen Generatorelemente 41 erzeugt wird, und unterdrückt die Verformung des Gehäuses 32.
(6) Die Oberflächen der Hülse 35, welche die Oberflächen H der thermoelektrischen Generatorelemente 41 berühren, sind in Übereinstimmung mit den Oberflächen H gestaltet. Spezifischer ausgedrückt, ist die Hülse 35 polygonal gestaltet und besitzt eine Vielzahl an flachen Flächen. Dies stellt eine Adhäsion zwischen den Oberflächen H der thermoelektrischen Generatorelemente 41 und der Hülse 35 sicher, die Teil des heißen Teiles darstellt.
(7) Das Gehäuse 32 ist aus einem rostfreien Austenit-Stahl hergestellt. Dies verbessert weiter die Adhäsion zwischen der Hülse 35 und den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und erhöht ferner die elektrische Energie, die durch die thermoelektrischen Generatorelemente 41 erzeugt wird.
(8) Der Abgaskatalysator 30 ist in dem Gehäuse 32 angeordnet. Dies erhöht weiter die Temperatur der Hülse 35 und erhöht auch die elektrische Energie, die durch die thermoelektrischen Generatorelemente 41 erzeugt wird. Selbst wenn bei dieser Ausführungsform die thermische Expansion das heiße Teil verformt, welches die Hülse 35 enthält, werden die Möglichkeiten der Beschädigung in Verbindung mit den thermoelektrischen Generatorelementen 41 reduziert. Selbst wenn demzufolge eine Konstruktion zur Erhöhung der Temperatur der Hülse 35 angewendet wird, wird die Möglichkeit einer Beschädigung oder Zerstörung an den thermoelektrischen Generatorelementen 41 reduziert.
(9) Der Abgaskatalysator 30 und der thermoelektrische Generator 20 sind miteinander integral angeordnet. Daher kann das gesamte Abgasgerät für die Brennkraftmaschine auch kompakt ausgeführt werden.
(10) Die Abgastemperatur steigt an, wenn die Bremskraftmaschine mit einer hohen Drehzahl und in einem hohen Belastungszustand betrieben wird. In solch einem Zustand kann eine Verschlechterung in dem Abgaskatalysator 30 verursacht durch die hohe Temperatur auftreten. Bei dieser Ausführungsform wird eine Verschlechterung auf Grund der hohen Temperatur des Abgaskatalysators 30 in einer optimalen Weise unterdrückt.
(11) Der Träger 31 des Abgaskatalysators 30 besteht aus einem durch Explosion geformten Metallträger. Dies erhöht unmittelbar und auch weiter die Temperatur der Hochtemperaturoberfläche H in jedem thermoelektrischen Generatorelement 41. Demzufolge kann die elektrische Energie, die durch das thermoelektrische Generatorelement 41 erzeugt wird, weiter erhöht werden. Eine Verformung des Trägers 31 wird in einer optimalen Weise unterdrückt, da der Träger 31 als durch Extrusionstechnik geformter Metallträger ausgebildet ist, und zwar selbst dann, wenn der Druck, der auf jedes thermoelektrische Generatorelement 41 aufgebracht wird, erhöht wird.
(12) Es strömt Kühlmittel nach unten in den Kühlmechanismus 42. Somit fließt das Kühlmittel effizient durch den Kühlmechanismus 42 und es wird die Niedrigtemperaturoberfläche C von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 in einer optimalen Weise gekühlt. Ferner fließt Kühlmittel in der gleichen Richtung wie das Abgas. Demzufolge wird der gesamte Kühlmechanismus 42 in einer optimalen Weise gekühlt.
(13) Die zwei Seiten von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 sind mit amorphen Kohlenstofffilmen 41a beschichtet. Daher ist der Bewegungswiderstand zwischen den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und dem Teil, welches die thermoelektrischen Generatorelemente 41 kontaktiert (die Hülse 35 und die Kühlabschnitte 46) klein. Dies reduziert in effizienter Weise die Möglichkeit einer Beschädigung oder Zerstörung, die an den thermoelektrischen Generatorelementen 41 auftreten kann. Ferner wird auch eine Isolation zwischen den Elektroden auf der Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Generatorelemente 41 und zwischen den Elektroden auf der Niedrigtemperaturseite der thermoelektrischen Generatorelemente 41 sichergestellt. Zusätzlich wird die Erzeugung der elektrischen Energie entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Teilen sichergestellt. Demzufolge wird die Erzeugung der elektrischen Energie über eine lange Periode hinweg sichergestellt.

Es sei für Fachleute darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung in vielfältigen anderen spezifischen Formen realisiert werden kann, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sei speziell darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung in den folgenden Formen ausgeführt werden kann.
Bei der bevorzugten Ausführungsform befestigen die Bänder 52 integral die Kühlabschnitte 46, die thermoelektrischen Generatorelemente 41 und die Hülse 35. Statt dessen können die thermoelektrischen Generatorelemente 41 in einem angedrückten Zustand gehalten werden, wie in 6 gezeigt ist.
Spezifischer ausgedrückt, ist ein allgemein polygonaler Träger 31' in ein polygonales Gehäuse 32' eingefügt. Ein Kühlmechanismus 42' besitzt eine Vielzahl an Kühlabschnitten 46, die in einer integralen Weise ausgebildet sind und sich in der Umfangsrichtung des Gehäuses 32' erstrecken, welches in der Abgasströmungsrichtung angeordnet ist. Die thermoelektrischen Generatorelemente 42 sind lose an der Innenfläche des Kühlmechanismus 42' befestigt. Ferner sind die thermoelektrischen Generatorelemente 41 und der Kühlmechanismus 42' gemäß einem Presssitz an der peripheren Oberfläche des Gehäuses 32' angeordnet oder gehaltert. Auf diese Weise werden durch die lose Befestigung der thermoelektrischen Generatorelemente 41 an dem kalten Teil und eine Presssitzbefestigung des kalten Teiles und der thermoelektrischen Generatorelemente an der peripheren Oberfläche des heißen Teiles, die thermoelektrischen Generatorelemente 41 gemäß einem Presssitz zwischen dem heißen Teil und dem kalten Teil gehalten. Bei dieser Konstruktion können die Bänder 52 weggelassen sein. Demzufolge werden bei einer vereinfachten Konstruktion die thermoelektrischen Generatorelemente 41 in einem Zustand gehalten, in welchem sie zu dem heißen und dem kalten Teil hin gedrückt werden.
Das heiße Teil und die thermoelektrischen Generatorelemente 41 können lose befestigt sein und das heiße Teil und die thermoelektrischen Generatorelemente 41 können gemäß einem Presssitz an der Innenfläche des kalten Teiles gehalten sein. Alternativ können die thermoelektrischen Generatorelemente auch gemäß einem Presssitz zwischen dem heißen Teil und dem kalten Teil gehalten sein.
Um nun auf 7 einzugehen, so kann die Hülse 35 auch weggelassen werden. In diesem Fall werden der Träger 31' und das Gehäuse 32' von 6 verwendet, so dass die gesamte Oberfläche H von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 direkt die periphere Oberfläche des Gehäuses 32' kontaktiert. Demzufolge wird Wärme von dem Träger 31' auf die thermoelektrischen Generatorelemente 41 in einer optimalen Weise übertragen.
Wie oben beschrieben ist, kann in 6 die Hülse 35 weggelassen werden und die thermoelektrischen Generatorelemente 41 werden gemäß einem Presssitz zwischen den heißen und kalten Teilen gehalten. Statt dessen kann gemäß 8 die Hülse 35 verwendet werden und es können die thermoelektrischen Generatorelemente 41 entsprechend einem Presssitz zwischen der Hülse 35 und dem kalten Teil gehalten sein.
Die Hülse 35 der bevorzugten Ausführungsform kann aus rostfreiem Austenit-Stahl hergestellt sein. Dies erhöht die thermische Ausdehnung der Hülse 35 und verbessert die Adhäsion zwischen den thermoelektrischen Generatorelementen 41 und der Hülse 35. Als ein Ergebnis wird die Wärme, die von der Hülse 35 auf die thermoelektrischen Generatorelemente 41 übertragen wird, erhöht. Dies erhöht weiter die elektrische Energie, die durch die thermoelektrischen Generatorelemente 41 erzeugt wird.
Die Hülse 35 und das Gehäuse 32 können zusammenhängend oder einstückig ausgebildet sein und der Abgaskatalysator kann in die Hülse 35 eingeführt sein.
Wie oben beschrieben ist, ist es zu bevorzugen, dass der Träger 31 aus einem durch Extrusionsformung hergestellten Metallträger gebildet ist. Jedoch kann der Träger 31 auch aus einem Keramikträger oder einem Metallträger hergestellt sein, der aus einer dünnen Metallplatte bildet ist.
In jeder Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann irgendein Abgaskatalysator verwendet werden, sofern Wärme erzeugt wird, wenn die Abgaskomponenten gereinigt werden.
Der Träger in dem Gehäuse 32 oder das Gehäuse 32', das heißt der Abgaskatalysator, kann weggelassen werden. Mit anderen Worten kann die vorliegende Erfindung auch auf eine Konstruktion angewendet werden, bei der die thermoelektrischen Generatorelemente 41 an der Umfangsfläche eines Abgasrohres angeordnet sind, welches das Abgassystem bildet.
Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die zwei Seiten der thermoelektrischen Generatorelemente 41 durch einen amorphen Kohlenstofffilm 41a beschichtet. Es kann irgendein Film verwendet werden, um die Beschichtung zu bilden, solange als dessen Reibungskoeffizient klein ist, eine gute elektrische Isolation, thermische Transmission, Wärmewiderstand und Abriebwiderstandseigenschaften realisiert werden. Ferner kann eine Seite von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 (z. B. die Oberfläche H) durch den amorphen Kohlenstofffilm 41a beschichtet sein, während die andere Seite von jedem thermoelektrischen Generatorelement 41 (z. B. die Oberfläche C) mit einem Film beschichtet sein kann, der sich von dem amorphen Kohlenstofffilm 41a unterscheidet.
Es kann auch irgendeine Anzahl der thermoelektrischen Generatorelemente 41 vorgesehen sein.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird ein Kühlmittel als Kühlmedium des Kühlmechanismus 42 verwendet. Es kann jedoch auch irgendein Kühlmedium verwendet werden, sofern der Kühlmechanismus 42 auch gekühlt wird.
Der Kühlmechanismus 42 besteht aus einem so genannten wassergekühlten Mechanismus. Statt dessen kann auch ein luftgekühlter Mechanismus mit Wärmeabstrahlrippen verwendet werden.
Die Belleville-Federn 50 und Unterlegscheiben 51 können beseitigt werden und die Bänder 52 können direkt die Kühlabschnitte 46 befestigen.
Wie in 9 gezeigt ist, kann der thermoelektrische Generator 20 direkt unterhalb von dem Abgasverteiler 13 angeordnet sein. Dies würde dann auch zu einer Abflachung des Unterbodens des Fahrzeugs 1 beitragen und den Innenraum des Fahrzeugs 1 vergrößern.

Claims

Thermoelektrischer Generator (20) für eine Brennkraftmaschine (11), die an einen Abgaskanal (17) angeschlossen ist, wobei der Generator (20) ein heißes Teil (32, 35) aufweist, welches an dem Abgaskanal (17) angeordnet ist, und ein kaltes Teil (42) aufweist, welches außerhalb von dem heißen Teil (32, 35) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermoelektrisches Generatorelement (41), das Wärmeenergie aus dem Abgas in dem Abgaskanal (17) in elektrische Energie umwandelt, vermittels eines konzentrisch um den Abgaskanal (17) angeordneten Halteteiles (52) an die Oberfläche des Abgaskanals (17) gepresst wird, wobei zwischen dem kalten Teil (42) und dem Halteteil (52) ferner ein elastisches Teil (50) angeordnet ist, um das thermoelektrische Generatorelement (41) in einem Zustand zu halten, in welchem es zwischen dem heißen Teil (32, 35) und dem kalten Teil (42) derart eingepresst ist, dass das thermoelektrische Generatorelement (41) in Reaktion auf eine thermische Ausdehnung relativ sowohl zu dem heißen Teil (32, 35) als auch dem kalten Teil (42) bewegbar ist.
Generator (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Generatorelement (41) eine erste Oberfläche (H) aufweist, welche das heiße Teil (32, 35) kontaktiert, und eine zweite Oberfläche (C) aufweist, die das kalte Teil (42) kontaktiert, und das heiße Teil (32, 35) einen heißen Körper (32) enthält, und dass eine Hülse (35) außerhalb des heißen Körpers (32) in Kontakt mit der ersten Oberfläche (H) angeordnet ist.
Generator (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (35) eine Oberfläche aufweist, die so gestaltet ist, dass sie in engem Kontakt mit der ersten Oberfläche (H) steht.
Generator (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (35) polygonal ausgebildet ist.
Generator (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das heiße Teil (32, 35) aus rostfreiem Austenit-Stahl hergestellt ist.
Generator (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das heiße Teil (32, 35) eine Öffnung aufweist und dass der Generator (20) ferner einen Abgaskatalysator (30) umfasst, der in der Öffnung des heißen Teiles (32, 35) aufgenommen ist.
Generator (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskatalysator (30) einen durch Extrusion geformten Metallträger (31) enthält.
Generator (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das kalte Teil (42) einen Kühlmechanismus (42) aufweist, durch welchen ein Kühlmedium strömt.
Generator (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmechanismus (42) so konfiguriert ist, dass das Kühlmedium stromabwärts strömt und in einer Richtung strömt, in welcher das Abgas strömt.
Generator (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Generatorelement (41) eine erste Oberfläche (H) aufweist, die das heiße Teil (32, 35) kontaktiert, und eine zweite Oberfläche (C) aufweist, die das kalte (42) Teil kontaktiert, wobei der Generator (20) ferner Folgendes aufweist: einen amorphen Kohlenstofffilm (41), der wenigstens auf einer der ersten (H) und zweiten Oberflächen (C) aufgeschichtet ist.