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Durch
die steigenden Energiepreise und verstärktes Bewusstsein
für schwindende fossile Ressourcen werden Hybrid-Fahrzeuge,
d. h. solche mit alternativem Betrieb mit Verbrennungs- oder Elektromotor
stetig interessanter. Bei Hybrid-Fahrzeugen bietet sich im Verbrennungsbetrieb
eine Energierückgewinnung an, wie sie beispielsweise aus
der
DE 10 2006
040853 B3 bekannt ist. Dabei wird ein thermoelektrischer
Generator zwischen den Abgasstrang des Verbrennungsmotors und den
Entwärmungskreislauf, d. h. den Kühler für
den Motor, geschaltet. Der thermoelektrische Generator erzeugt aus
der durch ihn fließenden Abwärme elektrische Energie.
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Ein
Problem bei Hybrid-Fahrzeugen ist die Innenraumklimatisierung. Bei
Betrieb mit dem Verbrennungsmotor kann durch diesen beispielsweise ein
Kältekompressor direkt mechanisch angetrieben werden, wodurch
ein Kühlfluid für die Klimatisierung geeignet
gekühlt wird. Im elektrischen Betrieb ist muss für
den Kältekompressor ein eigener Elektromotor vorgesehen
sein.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren für
ein Hybrid-Fahrzeug anzugeben, die eine Kühlung eines Kühlfluids,
beispielsweise für eine Klimaanlage, bei einem geringen
baulichen Aufwand erlauben.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich der Einrichtung durch eine Einrichtung
mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des
Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von
Anspruch 11 gelöst. Die Unteransprüche betreffen
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung ist ausgestaltet
zur wahlweisen Erzeugung von elektrischer Energie oder Kühlung
eines Kühlfluids. Sie weist ein thermoelektrisches Element
mit einer ersten und zweiten Seite auf. Zwischen der ersten und
zweiten Seite kann mittels elektrischer Energie ein Wärmefluss
erzeugt werden. Weiterhin kann aus einer Wärmedifferenz
zwischen den beiden Seiten, also einem Wärmefluss durch
das Element, elektrische Energie gewonnen werden. Weiterhin sind
ein Fluidkanal zum Transport des Kühlfluids und eine Entwärmungseinrichtung
vorgesehen.
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Das
thermoelektrische Element ist auf der ersten Seite mit der Entwärmungseinrichtung
verbunden. Weiterhin ist das thermoelektrische Element auf der zweiten
Seite mit dem Fluidkanal verbunden. Schließlich ist das
thermoelektrische Element auf der zweiten Seite direkt oder indirekt
mit einer Wärmequelle verbunden.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren kommt eine Anordnung
zur Verwendung, die wenigstens einen Verbrennungsmotor und wenigstens
einem Elektromotor aufweist. Beim Betrieb des Verbrennungsmotors
wird ein mit dem Abgasstrang des Verbrennungsmotors verbundenes
thermoelektrisches Element verwendet, elektrische Energie aus der
Abwärme des Verbrennungsmotors zu gewinnen. Beim Betrieb
des Elektromotors wird, vorausgesetzt, der Verbrennungsmotor wird
nicht betrieben, das thermoelektrische Element verwendet, ein Kühlfluid
in einem mit dem thermoelektrischen Element verbundenen Fluidkanal
abzukühlen. Bevorzugt kommt das erfindungsgemäße
Verfahren in einem Hybrid-Fahrzeug zum Einsatz, das für
den Antrieb sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen Elektromotor
aufweist und diese alternierend benutzt.
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Das
thermoelektrische Element ist zweckmäßig ein Peltier-Element
oder ein thermoelektrischer Generator. Ein Peltier-Element dient üblicherweise
der Beheizung oder Kühlung, während der thermoelektrische
Generator üblicherweise zur Erzeugung elektrischer Energie
verwendet wird. Beide sind jedoch im Wesentlichen gleichartig und
für sich genommen in dem Fachmann bekannter Weise aufgebaut. Üblicherweise
ist das thermoelektrische Element flach aufgebaut. D. h., das thermo elektrische Element
weist zwei zweckmäßig plane Seiten auf, die eine
wesentlich größere Ausdehnung aufweisen als die
Dicke des thermoelektrischen Elements. Die eine Seite dient dabei
der thermischen Ankontaktierung mit einer Wärmequelle und
die andere Seite der thermischen Ankontaktierung einer Wärmesenke.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn Wärmequelle
und/oder Senke möglichst großflächig
in Verbindung mit dem thermoelektrischen Element stehen. Bekanntermaßen
kann die erzeugte elektrische Energie über Elektroden am
thermoelektrischen Element abgegriffen werden. Für die
Kühlung wird bevorzugt elektrische Spannung an das thermoelektrische
Element angelegt.
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So
ist in der Erfindung das thermoelektrische Element bevorzugt großflächig,
d. h. möglichst mit der ganzen ersten Seite mit der Entwärmungseinrichtung
verbunden, bei der es sich beispielsweise um den Kühler
für den Motor eines Hybrid-Fahrzeugs handeln kann.
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Bei
der zweiten Seite gibt es mehrere Alternativen für die
thermische Verbindung. Eine Möglichkeit besteht darin,
dass die zweite Seite nur mit dem Fluidkanal verbunden ist, dies
bevorzugt wieder großflächig, beispielsweise mit
der gesamten zweiten Seite. Dann ist der Fluidkanal wiederum zweckmäßig
mit der Wärmequelle verbunden. In diesem Fall muss der
Wärmefluss von der Wärmequelle zum thermoelektrischen
Element und letztlich zur Entwärmungseinrichtung immer über
den Fluidkanal laufen. Der Aufbau ist dadurch vereinfacht und es
steht für den Fluidkanal und letztlich indirekt für
die Wärmequelle die gesamte Fläche der zweiten
Seite zur thermischen Ankontaktierung zur Verfügung. Auch
wird bei Kühlung des Kühlfluids nicht überflüssigerweise die
Wärmequelle mitgekühlt, sondern die gesamte Wärmetransportleistung
wirkt auf das Kühlfluid.
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Bei
der Wärmequelle kann es sich beispielsweise um den Abgasstrang
eines Verbrennungsmotors handeln. Es kann sich bei der Wärmequelle
aber auch um den Verbrennungsmotor selbst, um einen Elektromotor
oder dessen Betriebsmittel wie Umrichter oder Gleichrichter handeln.
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Eine
zweite Alternative besteht darin, den Fluidkanal und die Wärmequelle
nebeneinander mit dem thermoelektrischen Element zu verbinden. Der Wärmefluss
von der Wärmequelle zum thermoelektrischen Element findet
dann nicht über den Fluidkanal statt, findet also etwas
weniger thermischen Widerstand und das Kühlfluid wird durch
die Wärmequelle weniger stark aufgeheizt. Dafür
müssen sich in dieser Alternative der Fluidkanal und die
Anbindung der Wärmequelle die gesamte zur Verfügung
stehende Fläche der zweiten Seite teilen.
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Rein
prinzipiell ist es möglich, die thermische Verbindung zwischen
den beschriebenen Elementen über thermische Zwischenleiter
wie Heatpipes zu realisieren. Bevorzugt wird jedoch ein direkter
mechanischer und zweckmäßig großflächiger
Kontakt hergestellt.
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Auch
die Verbindung des Fluidkanals mit der Wärmequelle kann
in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung auch indirekt sein. So
kann zwischen dem Fluidkanal und der Wärmequelle ein Hitzeschutzelement
vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise aus einem Kühlkreislauf
oder Thermosiphon mit einem Medium bestehen. Das Medium verdampft
dabei oberhalb einer Schwelltemperatur und kühlt dadurch den
Fluidkanal. Der Dampf wird an einem Kondenstor, der beispielsweise
mit der Entwärmungseinrichtung verbunden ist, kondensiert.
Die Schwelltemperatur wird dabei zweckmäßig auf
einen für das thermoelektrische Element geeigneten Wert
wie beispielsweise 280°C gesetzt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen
der Wärmequelle und dem thermoelektrischen Element zusätzlich
oder alternativ zum Hitzeschutzelement ein Wärmespeicher
vorgesehen. Der Wärmespeicher agiert als Puffer zwischen
dem Hitzeschutzelement oder der Wärmequelle und dem thermoelektrischen
Element. Der Wärmespeicher weist dazu bevorzugt in einer
Kammer ein zweites Medium auf, das bei einer zweiten Schwelltemperatur
vom festen in den flüssigen Zustand übergeht.
Im Phasenübergang kann dabei sehr viel Energie gespeichert
werden. Solange die Wärmezufuhr von der Wärmequelle
nicht zu groß oder zu klein ist, befindet sich ein Teil
des zweiten Mediums in der flüssigen, ein anderer Teil
in der festen Phase, so dass die Temperatur des Wärmespeichers
etwa der zweiten Schwelltemperatur entspricht. Schwankungen in der
Wärmezufuhr von der Wärmequelle führen
dann nicht zu einer Änderung der Temperatur sondern lediglich
zu einer Änderung des Mengenverhältnisses zwischen
den Teilen des zweiten Mediums im flüssigen und festen
Zustand. Hierdurch kann ein verbesserter Betrieb für das
thermoelektrische Element erreicht werden, da thermoelektrische
Element vorteilhaft mit einer konstanten Temperatur auf der warmen
Seite betrieben werden.
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Bei
dem Kühlfluid kann es sich um ein gasförmiges
Kühlfluid handeln. Bevorzugt ist das Kühlfluid
aber flüssig und dient beispielsweise zur Innenraumklimatisierung
eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybrid-Fahrzeugs oder Hybrid-Autos.
Dazu führt der Fluidkanal zweckmäßig
eine erhebliche Strecke vom thermoelektrischen Element weg. Um im
Betrieb als thermoelektrischer Generator nicht viel Wärme
in den Fluidkanal abzuführen, sind bevorzugt Drosselklappen
oder anderweitige Ventile im Fluidkanal vorgesehen, bevorzugt im
Bereich des thermoelektrischen Elements, um den Fluidkanal abzuschließen
und einen beispielsweise wärmeinduzierten Transport des
Kühlfluids wenigstens weitgehend zu unterbinden.
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Ein
bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nunmehr anhand der einzigen Figur der Zeichnung
näher erläutert. Die Darstellung in der Figur
ist stark schematisiert.
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Die
Figur zeigt einen Abgasstrang 1 eines Verbrennungsmotors
in einem Hybrid-Auto. Der Abgasstrang steht an einer Stelle in flächiger
Verbindung mit einer Verdampfungskammer 2. Die Verdampfungskammer 2 enthält
ein Medium, das bei 280°C verdampft. Auf der vom Abgasstrang 1 abgekehrten
Seite steht die Verdampfungskammer 2 in flächiger
Verbindung mit einem Wärmespeicher 3, der ein
zweites Medium enthält. Der Wärmespeicher 3 steht
auf der von der Verdampfungskammer 2 abgewandten Seite
in flächigem Kontakt mit einem Kühlfluidkanal 4,
der eine Kühlflüssigkeit für die Klimaanlage
des Hybrid-Autos führt. Im Kühlfluidkanal 4 sind
Drosselklappen 8 vorgesehen, die ausgestaltet sind, den
Fluss der Kühlflüssigkeit zuzulassen oder zu unterbinden.
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Abgewandt
vom Wärmspeicher steht der Kühlfluidkanal 4 in
flächigem Kontakt mit einem thermoelektrischen Element 5.
Das thermoelektrische Element 5 weist zwei Elektroden 7 auf,
die mit einer elektrischen Schaltung und dem Akku bzw. der Batterie
des Hybrid-Autos. Abgewandt vom Kühlfluidkanal 4 ist
das thermoelektrische Element 5 mit dem Motorkühler 6 des
Hybrid-Autos flächig verbunden.
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Das
Hybrid-Auto kennt im Wesentlichen zwei Betriebsmodi. Im ersten Betriebsmodus
wird zum Antrieb des Hybrid-Autos der Verbrennungsmotor verwendet.
Dann wird heiles Abgas durch den Abgasstrang 1 ausgestoßen.
Die Temperatur des Abgases hängt vom Verbrennungsmotor
und dessen Betriebszustand ab, beträgt aber im Allgemeinen
mehrere 100°C. Ein Teil der Wärme des Abgases
im Abgasstrang 1 geht über die thermisch bevorzugt
gut leitende flächige Verbindung in die Verdampfungskammer 2 über.
Steigt die Temperatur des Mediums in der Verdampfungskammer 2 über
280°C, verdampft das Medium wenigstens teilweise. Hierdurch
werden transiente Spitzen der Abgastemperatur abgemildert. Der entstehende
Dampf wird in einem nicht dargestellten Kühlkreislauf rekondensiert.
Bevorzugt ist der Kühlkreislauf für den Dampf
mit dem Kühler 6 verbunden. Die Wärme
des Abgases tritt weiterhin in den Wärmespeicher 3 ein.
Das Medium im Wärmespeicher 3 ist so ausgelegt,
dass bei regulärem und über einen längeren
Zeitraum durchschnittlichen Betrieb des Motors sich das dort enthaltene
Medium gerade bei seiner Schmelztemperatur befindet. Das Medium
im Wärmespeicher hält dadurch soweit möglich
die Temperatur konstant auf der Schmelztemperatur.
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Die
Wärme des Abgases durchtritt den Kühlfluidkanal 4,
der in diesem Betriebsmodus keine besondere Funktion erfüllt.
Zweckmäßig sind im ersten Betriebsmodus die Drosselklappen 8 jedoch
geschlossen, so dass ein Fluss der Kühlflüssigkeit
unterbunden wird und so kein Wärmeabtransport stattfindet.
Schließlich erreicht so die Seite des thermoelektrischen
Elements 5, das dem Abgasstrang 1 zugewandt ist,
eine Temperatur, die im Idealfall wenig geringer als die Schmelztemperatur
des Mediums im Wärmespeicher 3 ist. Da die andere
Seite des thermoelektrischen Elements 5 mit dem wärmeabführenden
Kühler 6 verbunden ist, stellt sich ein deutliches Temperaturgefälle über
das thermoelektrische Element 5 ein. Das Temperaturgefälle
führt wiederum zu einer elektrischen Spannung zwischen
den Elektroden 7 des thermoelektrischen Elements 5.
Diese wird abgegriffen und kann beispielsweise zur Aufladung des
Akkus, also schlicht zur Energierückgewinnung, oder zum
aktuellen Betrieb elektrischer Verbraucher wie Scheinwerfer verwendet
werden.
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Der
zweite Betriebsmodus des Hybrid-Autos besteht darin, dass statt
des Verbrennungsmotors der Elektromotor zum Antrieb des Autos verwendet wird.
Im zweiten Betriebsmodus ist der Abgasstrang 1 zumindest
nach genügender Abkühlzeit im Wesentlichen auf
Umgebungstemperatur. Der Abgasstrang 1, die Verdampfungskammer 2 und
der Wärmespeicher 3 spielen in diesem Betriebsmodus
keine wesentliche Rolle. Das thermoelektrische Element 5 wird
in diesem Betriebsmodus als Wärmepumpe, also als Peltierelement
betrieben. Hierzu wird an die Elektroden eine Spannung angelegt,
die zu einem Wärmetransport von der Seite mit dem Kühlfluidkanal 4 zum
Kühler 6 bewirkt. Hierdurch wird die Kühlflüssigkeit
gekühlt und kann vorteilhaft für eine Klimaanlage
verwendet werden, ohne dass hierzu ein Kältekompressor
beispielsweise mittels eines eigenen Elektromotors betrieben werden
müsste. Zweckmäßig sind die Drosselklappen 8 im
zweiten Betriebsmodus geöffnet, sodass die Kühlflüssigkeit
im Kühlfluidkanal 4 strömen kann. Da
auch im zweiten Betriebsmodus Wärme zum Kühler 6 transportiert
wird, kann dieser vorteilhaft wieder die Entwärmungsfunktion übernehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006040853
B3 [0001]