具有集成熱電發(fā)生器的廢氣線路的制作方法
【專利摘要】在具有集成熱電發(fā)生器的內燃機用廢氣線路中，廢氣線路具有至少一個導管，廢氣流經所述導管并且在所述導管中至少一個熱電模塊以熱電模塊的熱側與廢氣直接接觸而熱電模塊的冷側借助熱傳遞介質冷卻的方式設置。
【專利說明】具有集成熱電發(fā)生器的廢氣線路
[0001]本發(fā)明涉及一種用于具有集成熱電發(fā)生器的內燃機的廢氣線路（exhaust train)及其在由廢氣熱發(fā)電中的用途。
[0002]熱電發(fā)生器和Peltier裝置本身是長久已知的。在一側被加熱且在另一側被冷卻的P-和η-摻雜半導體通過外部回路帶電荷，允許在回路中在負荷下進行電功。此處將熱轉化成電能的效率在熱力學上受Carnot效率限制。因此，(1000-400) : 1000=60%的效率在熱側1000Κ和“冷”側400Κ的溫度下是可能的。然而，迄今僅可以實現(xiàn)至多6%的效率。
[0003]如果另一方面將直流電施加至該類裝置，則熱從一側傳遞至另一側。該類Peltier裝置以熱力泵操作并且由此適用于冷卻設備組件、交通方式或建筑物。相比于常規(guī)加熱方法，借助Peltier原理加熱也是更有利的，因為總是比所供應的能當量傳遞更多的熱。
[0004]當前，熱電發(fā)生器用于航天探測器中以產生直流電，用于管線的陰極腐蝕保護，用于向光和無線電浮標或燈塔供應能量和用于操作收音機和電視機。熱電發(fā)生器的優(yōu)點在于其極度可靠性。因此它們不依賴大氣條件如大氣濕度而操作；不存在材料的缺陷傾向轉移(fault-prone transfer)，而是僅存在電荷轉移。
[0005]熱電模塊包含P-臂和η-臂，其電串聯(lián)和熱并聯(lián)連接。圖2示出一個該模塊。
[0006]經典結構包含兩個載板，優(yōu)選陶瓷板，其間交替地施加各個臂。每種情況下兩個臂通過端面以導電方式接觸。
[0007]除了導電接觸裝置之外，通常將各種額外層施加至實際材料，這些層充當保護層或焊料層。然而，最終通過金屬橋建立兩個臂之間的電接觸。
[0008]接觸裝置為熱電組件的重要元件。接觸裝置表示在組件“心臟”處的材料（負責組件的所需熱電效應）和“外部世界”之間的物理連接。該類接觸的結構示意性地示于圖I中，并且熱電模塊的結構示于圖2中。
[0009]在組件內的熱電材料I確保組件的實際效應。這為熱電臂。存在穿過材料I的電流流動和熱流動以使其能夠在整個結構中發(fā)揮作用。
[0010]材料I與至少兩側上的饋線6和7通過接觸4和5連接。這里，層2和3意欲代表在材料I與接觸4和5之間可能需要的一個或多個中間層（阻擋材料、焊料、助粘劑等）。然而，各自成對聯(lián)合的段2/3、4/5、6/7不一定相同。這最終同樣取決于特定結構和應用，如穿過該結構的電流流動方向和熱流動方向那樣。
[0011]接觸4和5發(fā)揮重要作用。這些提供材料和饋線之間的緊密接觸。如果接觸差，則嚴重損失在此處存在并且可嚴重限制組件功率。為此，在實踐中臂和接觸通常壓在材料上。接觸經受嚴重的機械負荷。只要涉及較高（或實際上較低）溫度和/或熱循環(huán)，這些機械負荷就甚至進一步提高。摻入組件中的材料的熱膨脹導致機械應力，其在極端情況下由于接觸斷裂而導致組件故障。
[0012]為了防止該情況，所用接觸必須具有一定柔韌性和彈簧性質以允許補償該熱應力。
[0013]為了使整個結構具有穩(wěn)定性并確保在全部臂上具有必要的熱耦合，所述熱耦合應盡可能均勻，需要圖2所示的那類載板。為此，通常使用陶瓷，例如包含A1203、SiO2或AlN的氧化物或氮化物的陶瓷。
[0014]關于使用經典結構通常存在限制，因為僅總是平的表面可與熱電模塊接觸。為了確保足夠的熱流動，模塊表面與熱源/受熱器之間的緊密接觸是必不可少的。
[0015]當前，嘗試著在汽車如客車和卡車的廢氣線路或廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中提供熱電模塊以由廢氣的某些熱獲得電能。在該情況下，熱電元件的熱側與廢氣或廢氣管連接，而冷側與冷卻系統(tǒng)連接?？僧a生的功率量取決于廢氣溫度和從廢氣至熱電材料的熱流動。為了使熱流動最大化，通常在廢氣管中安裝配件。然而，這些經受限制，因為例如安裝換熱器通常導致廢氣中壓力損失，又導致內燃機消耗增加，有些不能容忍。
[0016]在實踐中，熱電發(fā)生器通常安裝在廢氣催化轉化器后面的廢氣線路中。與廢氣催化轉化器中壓力損失一起，這通常導致過度壓力損失，由此在廢氣線路中不提供導熱配件，而是熱電模塊相對于廢氣管外側放置。為此，通常需要使廢氣管具有有角橫截面，由此使平面外表面能夠與熱電材料緊密接觸。然而，迄今熱傳遞不是十分令人滿意。
[0017]本發(fā)明目的為在內燃機用廢氣線路中設置熱電發(fā)生器，意圖為在操作熱電發(fā)生器期間應存在盡可能大的溫差。意圖尤其為改進從廢氣至熱電發(fā)生器的熱傳遞。
[0018]根據本發(fā)明，該目的通過具有集成熱電發(fā)生器的內燃機用廢氣線路實現(xiàn)，其中廢氣線路具有至少一個導管，廢氣流經所述導管并且在所述導管中至少一個熱電模塊以熱電模塊的熱側與廢氣直接接觸而熱電模塊的冷側借助熱傳遞介質冷卻的方式設置。
[0019]至少一個熱電模塊優(yōu)選具有P-臂和η-臂，其電串聯(lián)和熱并聯(lián)連接，并且其接觸裝置相對于熱電模塊的熱側和冷側上的載板放置，其中廢氣流動直接沖擊在熱電模塊的熱側上的載板上。
[0020]在熱側從廢氣至熱電模塊和在冷側從熱電模塊至冷卻介質的熱傳遞對于為熱電模塊提供盡可能大的溫差是關鍵的。
[0021]因此，本發(fā)明廣義上涉及通過熱電發(fā)生器將熱能直接轉化成電能的廢氣熱利用。熱電發(fā)生器由熱源（廢氣）、熱電有源模塊和受熱器（冷卻介質）組成。對于大的電能產出，由此需要熱源和受熱器之間盡可能大的溫差以及具有高效率的熱電模塊。
[0022]本發(fā)明涉及具有從廢氣至熱電模塊的改進熱傳遞的熱電發(fā)生器，其中改進通過將熱電有源元件和/或必要接觸和絕緣層直接放置在載有廢氣的導管中而實現(xiàn)。
[0023]本發(fā)明廢氣線路可具有小孔，熱電模塊以包封形式插入其中，由此確保包封的熱電模塊與廢氣直接接觸。所用包封的熱電模塊相對于其冷側上的廢氣線路氣密安裝。
[0024]如說明書引言所述和如圖I和2所示構造熱電模塊。
[0025]由于熱電模塊的熱側與廢氣直接接觸這一事實，使在熱電模塊的熱側上的熱傳遞損失最小化。相反，在迄今已知的實施方案中的熱電模塊放置在廢氣管外側，由此顯著損害熱傳遞。
[0026]熱電模塊通常在表面具有載板或絕緣板，以使熱電模塊的結構具有穩(wěn)定性并確保在全部臂上具有必要的熱耦合，所述熱耦合應盡可能均勻。
[0027]根據本發(fā)明，可以施加額外保護層至這些載板，只要它們不顯著妨礙從廢氣至熱電模塊的熱傳遞。例如可提供薄片金屬層組成的覆蓋物。
[0028]根據本發(fā)明，術語“廢氣線路”用于意指內燃機的廢氣管路區(qū)段。然而，廢氣線路也可為從內燃機汽缸出口開始至廢氣管末端的整個部分。例如可在廢氣線路中額外提供廢氣催化轉化器和其他配件如廢氣渦輪增壓器或微粒過濾器。本發(fā)明廢氣線路與內燃機出口盡可能緊密地設置以允許熱電材料中高溫差。沿著廢氣線路的實際定位可取決于相應熱電材料的穩(wěn)定性和操作條件。
[0029]本發(fā)明廢氣線路具有至少一個導管，廢氣流經所述導管并且熱電模塊設置在所述導管中。例如，廢氣可在許多導管之間分配，在每個導管中集成有熱電模塊。設置在相鄰導管中的熱電模塊可例如與熱傳遞介質在冷側上具有共用接觸。
[0030]在該設置中，導管可具有任意合適的橫截面和縱截面。廢氣流經的至少一個導管優(yōu)選具有矩形或梯形橫截面，具有基本上平坦的側壁，其中熱電發(fā)生器集成到一個或多個平坦的側壁中。例如，熱電模塊可集成到導管兩個相對的側壁中。在其中集成有熱電模塊的區(qū)域中，廢氣線路優(yōu)選具有基本上平坦化的立方體形狀，其中熱電模塊或發(fā)生器設置在立方體的平坦側，即具有最大表面積的那些側。
[0031]根據本發(fā)明，在廢氣線路中優(yōu)選設置3-100個熱電模塊。在相應廢氣導管中存在優(yōu)選2-10，特別優(yōu)選3-5個熱電模塊層。
[0032]優(yōu)選其中在一個熱電發(fā)生器中一起使用和連接多個相同設計的熱電模塊的模塊構造。
[0033]載有廢氣的導管優(yōu)選充當熱電有源元件及其必要絕緣和接觸層用直接載體。這使得可以省卻放置在氣體導管上的單獨包裝的熱電模塊。
[0034]根據本發(fā)明，在廢氣導管和熱電有源元件之間無需氣密包裝熱電模塊用任何層，其會抑制熱流動。至少一個熱電模塊優(yōu)選氣密并入至少一個熱電模塊的冷側上的至少一個導管中。就“冷”側和相鄰元件而言熱電有源元件的包裝和氣密密封由此借助朝熱側開口的覆蓋物實現(xiàn)。廢氣可由此不受阻礙地與熱電模塊或材料的熱側接觸。
[0035]廢氣流經的廢氣線路或導管可由任何合適材料構成。氣體導管優(yōu)選由片狀金屬、澆鑄材料、機械加工疏松材料或可作為耐高溫的固體獲得的某些其他疏松材料構成。
[0036]每個氣體導管優(yōu)選具有矩形或梯形橫截面和相同構造的縱截面。
[0037]電有源元件可在由深沖金屬片制成的朝熱側開口的包裝中提供，并且朝熱側開口的包裝可通過焊接、釬焊、燒結、粘合劑粘合或以某些其他方式實現(xiàn)的材料結合而相對于氣體導管氣密密封。
[0038]根據本發(fā)明，至少一個導管可具有配件，其改進廢氣向至少一個熱電模塊的迎面流動(approach flow)。然而,導管中的壓力損失不應通過該類配件而顯著提高。流經本發(fā)明廢氣線路或本發(fā)明導管的廢氣，更特別是來自內燃機的廢氣的壓力損失應不超過100毫巴，尤其是50毫巴。該壓力損失不導致內燃機燃料消耗增加。
[0039]多個熱電模塊可在熱電發(fā)生器中在一個平面中前后存在和/或彼此相鄰。
[0040]此外，可在熱電模塊上提供保護免受過度溫度的保護層。也稱為“相變層”的該層優(yōu)選由無機金屬鹽或熔點為250_1700°C的金屬合金構成。合適的金屬鹽為鋰、鈉、鉀、銣、銫、鎂、鈣、鍶和鋇的氟化物、氯化物、溴化物、碘化物、硫酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽、鉻酸鹽、鑰酸鹽、釩酸鹽和鎢酸鹽。形成二元或三元低共熔混合物的該類合適鹽的混合物優(yōu)選用作材料。它們也可形成四元或五元低共熔混合物。
[0041]作為替代的相變材料，可以使用形成二元、三元、四元或五元低共熔混合物的金屬合金及其組合，從金屬如鋅、鎂、鋁、銅、鈣、硅、磷和銻開始。金屬合金的熔點應為200-1800°C。
[0042]熱電模塊可包封有保護層，尤其是當使用金屬如鎳、鋯、鈦、銀和鐵時或當使用基于鎳、鉻、鐵、錯和/或鈦的合金時。
[0043]一個或多個本發(fā)明熱電模塊可集成到內燃機廢氣線路中，例如串聯(lián)連接。就此而言還可以將熱電模塊與不同的熱電材料組合。通?？墒褂眠m用于來自內燃機的廢氣的溫度范圍的任何合適熱電材料。合適熱電材料的實例為方鈷礦，例如CoSb3、RuPdSb6、TX6，其中T=Co, Rh, Ir且X=P、As、Sb ;X2Y8Z24，其中X=鑭系元素、錒系元素、堿土金屬、堿金屬、Th、第IV族元素；半赫斯勒化合物如TiNiSruHfPdSn和金屬間合金；包合物如Zn4Sb3、Sr8Ga16Ge3tl、Cs8Sn44、Co4TeSb4 ;氧化物如 NaxCo02、CaCo4O9、Bi2Sr2Co2OySr2TiO4、Sr3Ti2O7^ Sr4Ti3O10^RhMxCoO3，其中R=稀土金屬且M=堿土金屬；Srn+1Tin03n+1，其中η為整數；YBa2Cu307_x ;硅化物如FeSi2、Mg2Si、Mn15Si26 ;硼化物如B4C、CaB6 ；Bi2Ce3及其衍生物、PbCe及其衍生物、銻化物如銻化鋅，和Zintl相如Yb14MnSb415
[0044]本發(fā)明廢氣線路優(yōu)選安裝在機動車輛中。在該情況下，廢氣線路主要用于由廢氣熱發(fā)電。
[0045]本發(fā)明廢氣線路具有的優(yōu)點尤其在于廢氣與熱電模塊之間的熱傳遞損失最小化，由此能夠改進發(fā)電效率。
[0046]在附圖中更詳細地闡述本發(fā)明廢氣線路的示例性實施方案。
實施例
[0047]本發(fā)明廢氣線路或廢氣導管的實例示于附圖3-5中。
[0048]圖3顯示出穿過具有兩個廢氣導管（20a、20b)的層狀設置的本發(fā)明廢氣線路的示意性橫截面。熱電模塊（21a... η)直接施加其上并且借助設置在下游的連接的冷卻板(23a、23b、23c)，這些又用于消散由廢氣導管引入的熱和維持橫過熱電模塊盡可能大的溫度梯度。
[0049]由附圖明顯可見，熱電模塊（21a. . . η)在熱側與廢氣導管（20a、20b)中的廢氣直接接觸，而熱電模塊的冷側借助熱傳遞介質（冷卻板22a、22b、22c)冷卻。
[0050]可由圖3看出，在每個廢氣導管上下提供5個連續(xù)熱電模塊。冷卻板與冷卻介質接觸，冷卻介質經由圖3左側示出的連接流入和流出。
[0051]圖4顯示出從圖3中示意性示出的該類廢氣線路上方觀察的斜視圖。位于熱絕緣后面的冷卻板（22a. . . c)和熱電模塊（21a. . . η)是明顯的。
[0052]可在上部冷卻板上方看到熱電模塊用電連接。
[0053]圖5顯示出本發(fā)明廢氣導管（20a/b)用測量結構，其在兩側安裝有模塊(21a. ..η)。示出10個具有其電輸入和輸出的熱電模塊。
[0054]在所示出的廢氣線路中，廢氣與熱電模塊之間的熱傳遞損失最小化，由此改進發(fā)電效率。
【權利要求】
1.一種具有集成熱電發(fā)生器的內燃機用廢氣線路，其中廢氣線路具有至少一個導管，廢氣流經所述導管并且在所述導管中至少一個熱電模塊以熱電模塊的熱側與廢氣直接接觸而熱電模塊的冷側借助熱傳遞介質冷卻的方式設置。
2.根據權利要求I的廢氣線路，其中至少一個熱電模塊具有P-臂和η-臂，其電串聯(lián)和熱并聯(lián)連接，并且其接觸裝置相對于熱電模塊的熱側和冷側上的載板放置，其中廢氣流動直接沖擊在熱電模塊的熱側上的載板上。
3.根據權利要求I或2的廢氣線路，其中廢氣流經的至少一個導管具有矩形或梯形橫截面，具有基本上平坦的側壁，其中熱電發(fā)生器集成到一個或多個平坦的側壁中。
4.根據權利要求3的廢氣線路，其中熱電模塊集成到導管兩個相對的側壁中。
5.根據權利要求1-4中任一項的廢氣線路，其中至少一個熱電模塊氣密并入至少一個熱電模塊的冷側上的至少一個導管中。
6.根據權利要求1-5中任一項的廢氣線路，其中至少一個導管具有配件，其改進廢氣向至少一個熱電模塊的迎面流動。
7.根據權利要求1-6中任一項的廢氣線路，其中多個熱電模塊在熱電發(fā)生器中在一個平面中前后存在和/或彼此相鄰。
8.根據權利要求1-7中任一項的廢氣線路，其中廢氣線路安裝在機動車輛中。
9.根據權利要求1-8中任一項的廢氣線路在由廢氣熱發(fā)電中的用途。
【文檔編號】H01L35/32GK103502597SQ201280013398
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年3月16日 優(yōu)先權日:2011年3月18日
【發(fā)明者】J·穆爾斯, M·蓋特納, G·德根, H·博施, R·高斯, K·斯托辛格 申請人:巴斯夫歐洲公司, 弗雷德里希博伊森有限兩合公司