專利名稱：用于從導(dǎo)熱材料中產(chǎn)生電能的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從熱能產(chǎn)生電能的裝置，其具有導(dǎo)熱材料。這種裝置例如為熱電發(fā)生器，可用于機(jī)動(dòng)車的內(nèi)燃機(jī)廢氣系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
在移動(dòng)內(nèi)燃機(jī)、例如汽油機(jī)或柴油機(jī)的廢氣處理中，目前嘗試以當(dāng)將廢氣排放到環(huán)境中時(shí)其幾乎已經(jīng)被完全凈化了的方式來(lái)處理廢氣。也嘗試將任何形式的不使用的排放能量轉(zhuǎn)換成可使用形式的能源。來(lái)自機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣具有熱能，其可通過(guò)熱接觸傳遞到導(dǎo)熱材料并通過(guò)熱電發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電能，以便例如給蓄電池或其他電能存儲(chǔ)裝置充電和/或直接給電能消耗器 供給所要求的電能。這樣，能夠獲得用于操作機(jī)動(dòng)車的較大量的電能。這種熱電發(fā)生器通常具有多個(gè)熱電轉(zhuǎn)換元件。用于此的熱電材料為可有效地將熱能轉(zhuǎn)換成電能(賽貝克效應(yīng))和相反(珀?duì)柼?yīng))的類型?！叭惪诵?yīng)”是基于熱能到電能的轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，并且用于產(chǎn)生熱電能?！扮?duì)栙N效應(yīng)”是“塞貝克效應(yīng)”的逆過(guò)程，是伴隨熱吸收的現(xiàn)象，并且其由流過(guò)不同材料的電流而產(chǎn)生。已經(jīng)提出將珀?duì)柼?yīng)例如用于熱電冷卻。這種熱電轉(zhuǎn)換元件優(yōu)選地具有多個(gè)熱電元件，其布置在稱為“熱端”和稱為“冷端”之間。熱電元件包括例如至少2個(gè)半導(dǎo)體塊體(p和n摻雜)，所述半導(dǎo)體塊體在其上部側(cè)和下部側(cè)(朝向“熱端”和“冷端”)交替地連接于導(dǎo)電橋。陶瓷片體或陶瓷涂層和/或類似的材料用于絕緣金屬橋，并且因此優(yōu)選地布置在金屬橋之間。如果在半導(dǎo)體塊體的兩側(cè)上提供溫度梯度，則會(huì)形成電壓。在這種情況中，在一個(gè)接觸點(diǎn)(“熱端”)吸收熱，電子從一側(cè)轉(zhuǎn)移到下一塊體的高能導(dǎo)帶。在另一側(cè)上，電子釋放能量，以返回到處于較低能量水平的另一側(cè)(“冷端”)。因此，在給定相應(yīng)的溫度梯度時(shí)可產(chǎn)生電流。已經(jīng)知道可在機(jī)動(dòng)車、特別是客用機(jī)動(dòng)車中使用相應(yīng)的熱電發(fā)生器，其中將熱電發(fā)生器插入到廢氣流中，熱能通過(guò)熱輻射而傳送。但是，下面的討論集中于在固態(tài)熱傳導(dǎo)表面上使用熱電發(fā)生器并通過(guò)熱傳導(dǎo)來(lái)傳送熱能。但是到目前為止，從這種熱源中產(chǎn)生電能的效率還不夠。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是至少部分地解決相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)所描述的問(wèn)題。特別是尋求提供一種熱電發(fā)生器，其允許以改進(jìn)的效率來(lái)將可獲得的熱能轉(zhuǎn)換成電能有，并且也特別適合于(穩(wěn)態(tài)的)連續(xù)操作，以及適合于從導(dǎo)熱材料中取得熱能。通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求I的特征的裝置實(shí)現(xiàn)了這些目的。在從屬權(quán)利要求中說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的裝置的有利的改進(jìn)。應(yīng)注意地是，在權(quán)利要求中單獨(dú)說(shuō)明的特征可以任何技術(shù)上可行的方式相結(jié)合并且顯示了本發(fā)明的其他改進(jìn)。說(shuō)明書(shū)，特別是結(jié)合附圖進(jìn)一步解釋了本發(fā)明并且說(shuō)明了本發(fā)明額外的示例性實(shí)施方案。
根據(jù)本發(fā)明的用于產(chǎn)生電能的裝置包括至少一個(gè)帶有至少一個(gè)凸起的受熱的導(dǎo)熱主體，以及側(cè)向地連接于至少一個(gè)凸起的熱電元件，每個(gè)熱電元件的熱電效率和至少一個(gè)凸起所輸送的熱輸出相互匹配。這種裝置尤其是稱為熱電發(fā)生器。受熱主體例如可由廢氣管路、內(nèi)燃機(jī)的一部分或一些其他金屬體形成。也可以使用其他的導(dǎo)熱材料。優(yōu)選使用具有高熱容的固體?？赏ㄟ^(guò)火焰、廢氣流、電加熱器、水和/或一些其他熱源來(lái)提供對(duì)主體的加熱。特別是對(duì)主體進(jìn)行間歇式加熱，并且由于其熱容，主體會(huì)通過(guò)相對(duì)側(cè)均勻地輸送熱。例如，可將凸起認(rèn)為是具有例如與加熱裝置相反地從受熱主體中凸出的針形。優(yōu)選地形成多個(gè)凸起，以增加材料的表面積并且因此連接較多數(shù)量的熱電元件。在這一方面，“連接”意味著系緊、粘合、熔接、焊接等，或在凸起的至少50%的表面積上、優(yōu)選地在凸起的至少80%的表面積上、特別優(yōu)選地在凸起的至少95%的表面積上均勻分布。因此，熱電元件以其直接熱接觸的方式連接于凸起上。因此，受熱主體形成了熱電元件的熱端和冷端之間的間隔，凸起在冷端方向中延伸。每個(gè)凸起通常具有底部、頂部或前部和周向表面。在這一方面，側(cè)向意味著 熱電元件連接于底部和頂部或前部之間的周向表面上，并且平行于該表面和/或與其成一定角度地延伸。特別是，主體為輔助加熱裝置(預(yù)加熱裝置、停車加熱裝置)的加熱體，使得布置在主體上的凸起伸入到輔助加熱裝置的水循環(huán)中。輔助加熱裝置特別適合用于機(jī)動(dòng)車中，并且通過(guò)預(yù)加熱冷卻水而間接地帶走內(nèi)燃機(jī)的熱量，使得可避免由冷啟動(dòng)導(dǎo)致的損壞。此外，這種輔助加熱裝置也使得能夠加熱機(jī)動(dòng)車的乘客艙。在這種情況中，通過(guò)輔助加熱裝置的水循環(huán)形成了熱電發(fā)生器的冷端，使得設(shè)置在凸起上的熱電元件布置在熱端(輔助加熱裝置的主體或加熱體)和冷端(冷卻水)之間。凸起尤其是在底部和頂部之間延伸最多40mm[毫米]的長(zhǎng)度，特別是最多20mm。通過(guò)在主體上布置多個(gè)凸起，其優(yōu)選地具有每平方厘米最多一個(gè)凸起的密度(I個(gè)凸起/cm2)。由于在凸起中離開(kāi)受熱主體的熱流，柱狀凸起例如沿其延伸方向具有不均勻的溫度曲線，以及因此具有熱輸出不均勻的輸送。每個(gè)熱電元件具有對(duì)于特定的溫度差異可達(dá)至IJ最大值(最大效率)的熱電效率。這里，用語(yǔ)“熱電效率”含義是輸送的電能與吸收的熱輸出的商。對(duì)于每個(gè)熱電元件來(lái)說(shuō)，為了達(dá)到盡可能高的效率，將熱電元件的種類制造為與凸起的各自的局部溫度、并因此與熱端和冷端之間的溫度差異相匹配。作為替代或附加，可有意(部分地)阻擋或幫助從凸起到熱電元件的熱流，例如以達(dá)到盡可能均勻的熱輸出的輸送，并且因此獲得與熱電元件所規(guī)定的熱電效率相適應(yīng)。調(diào)節(jié)溫度曲線的另一可能是調(diào)節(jié)凸起的橫截面。因此，例如可選擇為沿其延伸方向?qū)⑵淇s窄和/或加寬，由多孔材料(部分地)組成，和/或具有(部分)粗糙的表面。這樣，可特別容易地使熱電元件的效率適應(yīng)于凸起所輸送的熱輸出。在這里還提出，將熱電元件側(cè)向地布置在至少一個(gè)凸起上，即布置在周向表面上。類似優(yōu)選地是，所有的熱電元件具有相同的電效率(在通常操作溫度下)。此外，這里優(yōu)選地是，在整個(gè)周向表面上至少一個(gè)凸起所輸送的熱輸出為相同或基本相同(例如，相對(duì)于相應(yīng)的小的參考面)。根據(jù)裝置的一種優(yōu)選的改進(jìn)，在受熱的導(dǎo)熱主體上的至少一個(gè)凸起在周向表面上具有相同的溫度。在這一方面，用語(yǔ)“相同”意味著可在凸起的整個(gè)周向表面上使用相同的熱電元件。在這種情況中，主體或凸起設(shè)計(jì)為使得特別是在所有的(動(dòng)態(tài)和/或穩(wěn)態(tài))載荷狀態(tài)或加熱狀態(tài)中，在周向表面上實(shí)現(xiàn)了優(yōu)選為小于100°c的溫度差異，特別是小于50°C，以及更優(yōu)選為最多20°C。特別是,周向表面上的溫度偏離所用熱電元件的最大效率最多30%，優(yōu)選地甚至僅最多15%。如果在整個(gè)周向表面上實(shí)現(xiàn)了相同的溫度，則不必要求使用具有不同最大效率的不同的熱電發(fā)生器來(lái)使各自輸送的熱輸出與相應(yīng)發(fā)生器的最大效率相匹配。下面通過(guò)例子給出了一些用于熱電元件的材料及其最大操作溫度η-型Bi2Te3 [約 250° C];PbTe[約 500。C];BaO. 3Co3. 95Ν 0. 05Sbl2 [約 600。C];
Bay (Co, Ni)4Sbl2 [約 600。C];CoSb3 [約 700。C];Ba8Gal6Ge30 [約 850。C];La2Te3 [約 1100。C];SiGe [約 1000。C];Mg2(Si, Sn)[約 700。C];p-型(Bi, Sb) 2Te3 [約 200。C];Zn4Sb3 [約 380。C];TAGS [約 600。C];PbTe [約 500。C];SnTe [約 600。C];CeFe4Sbl2 [約 700。C];YbHMnSbll [約 1000。C];SiGe [約 1000° C];Mg2 (Si, Sb)[約 600。C]。根據(jù)裝置的一個(gè)優(yōu)選的改進(jìn)，通過(guò)至少一個(gè)第一隔熱體將至少一個(gè)熱電元件與至少一個(gè)凸起至少在局部區(qū)域中隔開(kāi)。為了調(diào)節(jié)凸起的溫度曲線，提出了第一隔熱體，其連接于凸起(特別是其周向表面)(例如涂層)并且降低到熱電元件的熱流。這里，用語(yǔ)“隔熱體”應(yīng)當(dāng)被理解為其不會(huì)完全地阻止熱流而是僅阻擋熱流的意思。隔熱體可在凸起的一個(gè)或多個(gè)局部區(qū)域上延伸，或者完全將其蓋住。引入在凸起和熱電元件之間的隔熱體具有如下的作用凸起至少在局部區(qū)域中不再與熱電元件直接熱接觸，這通過(guò)用語(yǔ)“隔開(kāi)”來(lái)表述。還提出了在一個(gè)凸起上使用多個(gè)熱電元件，以便對(duì)于不同的凸起使用不同的熱電元件，以及對(duì)于不同的凸起選擇不同的熱電材料或不同的材料厚度。根據(jù)裝置的另一優(yōu)選的改進(jìn)，通過(guò)至少一個(gè)第二隔熱體將至少一個(gè)熱電元件與至少一個(gè)受熱主體在至少部分區(qū)域中隔開(kāi)。這里，第二隔熱體優(yōu)選地布置在最靠近(相鄰于)主體的熱電元件和受熱主體之間，以避免在凸起的主體側(cè)部(底部)上的端部處出現(xiàn)凸起的溫度曲線中的峰值，以及避免(特別是通過(guò)熱輻射)對(duì)熱電元件的不利影響。優(yōu)選地通過(guò)第二隔熱體完全抑制熱流。這種隔熱體可由與第一隔熱體相同的材料組成，但是也可包括不同的材料。第二隔熱體既可限制在靠近凸起的區(qū)域，也可為覆蓋整個(gè)主體的涂層形式。根據(jù)裝置的另一優(yōu)選的改進(jìn)，至少一個(gè)凸起具有軸向方向，以及制造為在凸起的軸向方向中的至少一個(gè)熱電元件的熱電效率相匹配的橫截面。通常，軸向方向應(yīng)當(dāng)理解為凸起從底部到頂部或前部的延伸方向。凸起的橫截面應(yīng)理解是垂直于軸向方向的平面，并且因此表面法線平行于軸向方向延伸。因此，這里凸起設(shè)計(jì)為使其沿著軸向方向具有不同的橫截面。在這種情況中，橫截 面可在例如其形狀或輪廓、其尺寸、孔隙度和/或材料的導(dǎo)熱性能方面不同。橫截面的變化具有使熱流路徑縮短或延長(zhǎng)或?qū)⑵渥钃趸蜃兊萌菀椎淖饔茫沟每梢垣@得熱能通過(guò)周向表面和沿著軸向方向的不同耗散。這樣，可以特定地影響凸起的溫度曲線，使得其又與熱電元件的熱電效率相匹配。根據(jù)裝置的另一優(yōu)選的改進(jìn)，至少兩個(gè)熱電元件具有相同的最大效率。如果使用多個(gè)熱電元件，優(yōu)選地使用具有相同的最大效率的熱電元件，使得通過(guò)前面提及的方法，僅要求最大效率和所輸送的熱輸出相互匹配，并且不需要材料的匹配。因此，所有連接于凸起的周向表面的熱電元件優(yōu)選地具有相同的最大效率。本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的應(yīng)用是在帶有內(nèi)燃機(jī)的機(jī)動(dòng)車中，特別是在客用機(jī)動(dòng)車中。


基于示意性

了本發(fā)明和技術(shù)環(huán)境。應(yīng)注意地是，附圖顯示了實(shí)施方案的特別優(yōu)選的變體，但是本發(fā)明不限于這些此。在圖中圖I顯示了帶有調(diào)整了橫截面的凸起的裝置的實(shí)施方案的第一變體，圖2顯示了帶有調(diào)整了橫截面的凸起和額外的第一隔熱體的裝置的實(shí)施方案的
第二變體，圖3顯示了帶有多個(gè)熱電元件的裝置的實(shí)施方案的第三變體，圖4顯示了用于從機(jī)動(dòng)車的熱廢氣中產(chǎn)生電能的裝置的整體，和圖5顯示了帶有相應(yīng)裝置的機(jī)動(dòng)車。
具體實(shí)施例方式圖I顯示了裝置I的實(shí)施方案的第一變體，其帶有由加熱裝置13 (例如燃燒器)來(lái)加熱的主體2，以及在側(cè)向上連接有通過(guò)冷卻裝置14來(lái)冷卻的熱電元件4的凸起3。凸起3通過(guò)第二隔熱體15與受熱主體2在局部位置7中隔開(kāi)，由此可避在凸起3的底部18處的溫度峰值。此外，凸起3沿其軸向方向8具有不同的橫截面9，由此使得凸起3所輸送的熱輸出適應(yīng)于熱電元件4的效率。對(duì)于這里所示的變體，熱電元件4從底部18沿著周向表面17延伸到凸起3的前部16。然而原則上說(shuō)，為了適應(yīng)的目的，熱電元件4的數(shù)量和取向或位置可為多種形式。下文涉及的附圖在一定程度上顯示了相同的部件，這里也使用相同的標(biāo)記對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記。圖2顯示了裝置I的實(shí)施方案的第二變體。凸起3通過(guò)第一隔熱體5與熱電元件4在局部區(qū)域6中隔開(kāi)，并且沿軸向方向8具有不同的橫截面9。第一隔熱體5也具有不同的橫截面，其適應(yīng)于凸起3的橫截面9。熱電元件4側(cè)向地連接于凸起3和第一隔熱體5，并且通過(guò)第二隔熱體15與受熱主體2隔開(kāi)。在這種示例性的實(shí)施方案中，通過(guò)第一隔熱體5的幾何形狀和通過(guò)凸起3的不同橫截面9產(chǎn)生了所輸送的熱輸出相對(duì)于熱電元件4的效率的適應(yīng)。圖3顯示了裝置I的 實(shí)施方案的第三變體。熱電元件4通過(guò)第二隔熱體15與受熱主體2隔開(kāi)。通過(guò)具有不同的最大效率的熱電元件4產(chǎn)生了凸起所輸送的熱輸出相對(duì)于熱電元件4的效率的適應(yīng)。圖4顯示了凸起3所輸送的熱輸出。在左側(cè)的圖顯示了不帶有第一隔熱體5的柱狀凸起3。在這種情況中，所輸送的熱輸出P沿著軸向方向8從底部到前部而降低。在右側(cè)的圖顯示了帶有第一隔熱體5且在軸向方向8中具有不同橫截面9的凸起3。所輸送的熱輸出P沿著凸起3的軸向方向8而升高。圖5顯示了帶有內(nèi)燃機(jī)11的機(jī)動(dòng)車10，其產(chǎn)生通過(guò)與裝置I熱接觸的廢氣系統(tǒng)而排放的廢氣12。這允許從機(jī)動(dòng)車10的廢氣12的熱能中獲得電能。在這種情況中，優(yōu)選地是不(僅僅)通過(guò)廢氣為熱電發(fā)生器提供加熱，而是提供至少一個(gè)燃燒器和/或電加熱器，以便為固態(tài)基板提供恒定的熱供給。附圖標(biāo)記列表I 裝置2 主體3 凸起4熱電元件5第一隔熱體6局部區(qū)域7局部位置8軸向方向9橫截面10機(jī)動(dòng)車11內(nèi)燃機(jī)12 廢氣13加熱(裝置)14冷卻(裝置)15第二隔熱體16 前部17周向面18 底部
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生電能的裝置(I)，包括至少一個(gè)帶有至少一個(gè)凸起(3)的受熱的導(dǎo)熱主體(2)，以及多個(gè)側(cè)向地連接于所述至少一個(gè)凸起(3)的熱電元件(4)，每個(gè)熱電元件(4)的熱電效率與通過(guò)所述至少一個(gè)凸起(3)輸送的熱輸出相互匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置(I)，其特征在于，受熱的導(dǎo)熱主體(2)上的所述至少一個(gè)凸起在周向表面(17)上具有相同的溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的裝置(I)，其特征在于，至少一個(gè)熱電元件(4)通過(guò)至少一個(gè)第一隔熱體(5)與所述至少一個(gè)凸起(3)至少在局部區(qū)域(6)中隔開(kāi)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置(I)，其特征在于，至少一個(gè)熱電元件(4)通過(guò)至少一個(gè)第二隔熱體(15)與所述至少一個(gè)受熱主體(2)至少在局部位置(7)中隔開(kāi)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置(I)，其特征在于，至少一個(gè)凸起(3)具有軸向方向(8)和橫截面(9)，所述橫截面制造為與所述凸起(3)的軸向方向(8)中的至少一個(gè)熱電元件⑷的熱電效率相匹配。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置(I)，其特征在于，至少兩個(gè)熱電元件(4)具有相同的最大效率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生電能的裝置(1)，包括至少一個(gè)具有至少一個(gè)凸起(3)的受熱的導(dǎo)熱主體(2)和側(cè)向地連接于至少一個(gè)凸起(3)的熱電元件(4)，每個(gè)熱電元件(4)的熱電效率與至少一個(gè)凸起(3)的熱容相互匹配。
文檔編號(hào)H01L35/30GK102714271SQ201180005498
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2011年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者羅爾夫·布呂克, 西格麗德·利姆貝克 申請(qǐng)人:依米泰克排放技術(shù)有限公司