熱電發(fā)電機(jī)，尤其用于機(jī)動(dòng)車輛的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱電發(fā)電機(jī)以及涉及用于生產(chǎn)這種熱電發(fā)電機(jī)的方法。
[0002]術(shù)語“熱電”被理解為意思是溫度和電力相互影響并且一個(gè)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)。熱電材料利用此影響從廢棄熱生成電能量，作為熱電發(fā)電機(jī)，當(dāng)熱旨在利用電能量的消耗從具有較低溫度的熱儲(chǔ)油罐傳輸至具有較高溫度的熱儲(chǔ)油罐時(shí)熱電發(fā)電機(jī)還以所謂的熱栗的形式使用。
【背景技術(shù)】
[0003]在具有內(nèi)燃機(jī)的機(jī)動(dòng)車輛中，熱電發(fā)電機(jī)能夠?qū)⒃谌紵幚砼艢馄陂g生成的廢棄熱局部轉(zhuǎn)換為電能量，并且供給該電能量至機(jī)動(dòng)車輛的車輛電分配系統(tǒng)。轉(zhuǎn)換成電能量的該廢棄熱能夠因此有用于降低機(jī)動(dòng)車輛的能量消耗至功能上所必須的最小程度，并且避免廢棄氣體(諸如C02)的不必要釋放。
[0004]因此改變了在汽車工程中熱電發(fā)電機(jī)的應(yīng)用區(qū)域。為了盡可能有效地轉(zhuǎn)換熱為電能量，實(shí)現(xiàn)很高的效率在任何可能的應(yīng)用方案中是至關(guān)重要的。此外使用在機(jī)動(dòng)車輛還導(dǎo)致用于生產(chǎn)具有緊湊設(shè)計(jì)的熱電裝置的額外要求。安裝在車輛中的熱電裝置因此通常生產(chǎn)為板形狀或者層狀構(gòu)造，其中，熱電活性元件布置在熱導(dǎo)電殼體內(nèi)。殼體能夠首先熱連接至具有低溫度的熱儲(chǔ)油罐，所謂的冷側(cè)，而且殼體還能夠熱連接至具有更高溫度的熱儲(chǔ)油罐，即熱側(cè)，使得由于兩側(cè)之間的溫降導(dǎo)致熱電元件生成熱電電動(dòng)勢(shì)，兩側(cè)之間的熱電電動(dòng)勢(shì)能夠經(jīng)由合適的電終端傳遞至外側(cè)。熱側(cè)和冷側(cè)之間的溫度差越大，由裝置生成的熱電電動(dòng)勢(shì)越高。
[0005]典型地，熱電裝置包括由熱電活性材料組成的多個(gè)熱電元件，多個(gè)熱電元件經(jīng)由電串聯(lián)電路中合適的電導(dǎo)體鏈節(jié)彼此連接。在該情況下單個(gè)電導(dǎo)體鏈節(jié)尤其連接兩個(gè)相鄰熱電元件。
[0006]已經(jīng)證明在熱電發(fā)電機(jī)中永久緊密連接至彼此是有問題的。這是因?yàn)槭褂迷跓犭姲l(fā)電機(jī)的各種部件中的材料典型地具有不同的熱膨脹系數(shù)，在溫度波動(dòng)以根據(jù)操作的方式發(fā)生在熱電發(fā)電機(jī)中的情況下，不同的熱膨脹系數(shù)能夠在受影響的部件的材料中導(dǎo)致相當(dāng)大的熱電應(yīng)力。
[0007]在該【背景技術(shù)】下，DE102012208295A1描述了一種包括裝在殼體元件上的熱電元件的熱電模塊。已經(jīng)通過將結(jié)合材料按壓于一起形成的接頭接縫區(qū)域設(shè)置在兩個(gè)元件之間。旨在在熱電元件上能夠設(shè)置防止結(jié)合材料不期望地進(jìn)入熱電元件的熱電活性材料的擴(kuò)散隔膜。
[0008]W02011/159804 A2公開了一種包括由方鈷礦組成的熱電活性元件的熱電裝置。該裝置包括層，該層充當(dāng)擴(kuò)散隔膜并且以夾層方式布置在熱電活性元件以及用于制作電觸頭的金屬層之間。在一個(gè)變型中，金屬層還能夠設(shè)置在擴(kuò)散隔膜和熱電元件之間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供改進(jìn)的消除上述問題的熱電裝置的實(shí)施例。
[0010]該目的是通過獨(dú)立專利權(quán)利要求的主題實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)選實(shí)施例是從屬專利權(quán)利要求的主題。
[0011]因此，本發(fā)明的基本構(gòu)思在于結(jié)合導(dǎo)體鏈節(jié)，使用由石墨組成的膜將熱電發(fā)電機(jī)的熱電活性元件連接至熱電發(fā)電機(jī)的金屬殼體壁。借助于石墨膜將這種導(dǎo)體鏈節(jié)緊固至殼體壁構(gòu)成了非緊密連接。然而，為了確保熱電元件和殼體之間操作熱電發(fā)電機(jī)所需的高效熱接觸，能夠在應(yīng)用到導(dǎo)體鏈節(jié)或者殼體的殼體壁期間加熱石墨膜。以該方式，最小化石墨膜和殼體壁或者導(dǎo)體鏈節(jié)之間的熱阻力。此外，石墨膜能夠充當(dāng)熱機(jī)械界面，依靠該熱機(jī)械界面，能夠在很大程度上或者甚至完全避免由于它們不同的熱膨脹系數(shù)發(fā)生在導(dǎo)體鏈節(jié)和殼體壁之間的熱機(jī)械應(yīng)力。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的熱電發(fā)電機(jī)具有充分尺寸的殼體，優(yōu)選由金屬組成，限定殼體內(nèi)部。殼體包括第一殼體壁和與第一殼體壁對(duì)置的第二殼體壁，其中，兩個(gè)殼體壁彼此熱絕緣。因此，第一殼體壁能夠以公知方式充當(dāng)熱側(cè)，而第二殼體壁能夠充當(dāng)熱電發(fā)電機(jī)的冷側(cè)，或者反之亦然。多個(gè)熱電元件彼此隔開布置在殼體內(nèi)部，所述熱電元件包括熱電活性材料。各個(gè)熱電元件能夠沿著殼體的縱向方向彼此等距布置。除了相對(duì)于縱向方向位于端部的兩個(gè)熱電元件之外，每個(gè)熱電元件都在其面向第一殼體壁的一側(cè)在縱向方向上依靠由導(dǎo)電材料組成的導(dǎo)體鏈節(jié)電連接至相鄰元件。相同熱電元件在其面向第二殼體壁的一側(cè)在與縱向方向?qū)χ玫姆较蛏弦揽苛硪粚?dǎo)體鏈節(jié)電連接至相鄰元件，或者反之亦然。清楚的是，對(duì)于僅相鄰的熱電元件，僅一個(gè)導(dǎo)體鏈節(jié)需要用于兩端側(cè)的熱電元件，單個(gè)導(dǎo)體鏈節(jié)布置在面向第一殼體壁的一側(cè)上或者布置在分配至第二殼體壁的一側(cè)上。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)導(dǎo)體鏈節(jié)都依靠電絕緣第一電絕緣裝在第一殼體壁的面向殼體內(nèi)部的內(nèi)側(cè)，或者依靠電絕緣第二電絕緣裝在第二殼體壁的面向殼體內(nèi)部的內(nèi)側(cè)。在該情況下第一和第二電絕緣均包括至少一個(gè)石墨膜。
[0014]在以下優(yōu)選實(shí)施例中，在熱傳遞以及避免殼體壁和導(dǎo)體鏈節(jié)之間的熱電電動(dòng)勢(shì)方面能夠?qū)崿F(xiàn)改進(jìn)的界面:第一電絕緣在每個(gè)情況下設(shè)置有面向第一殼體壁的第一石墨膜和面向?qū)w鏈節(jié)的第二石墨膜的，其中由電絕緣材料組成的承載膜設(shè)置在石墨膜之間。在該實(shí)施例中，相同參照使用于第二電絕緣。
[0015]通過優(yōu)選實(shí)施例實(shí)現(xiàn)特別好的熱機(jī)械屬性，在優(yōu)選實(shí)施例中，第一和/或第二電絕緣的第一石墨膜延伸得超出所有分配至第一或者第二殼體壁的導(dǎo)體鏈節(jié)。作為其替換，還可想到的是，在每個(gè)情況下第一和/或第二電絕緣的第一石墨膜僅部分性地延伸超出在一個(gè)導(dǎo)體鏈節(jié)。類似地，已經(jīng)證明如果第一和/或第二電絕緣的承載膜延伸得超出所有分配至第一和/或第二殼體壁的導(dǎo)體鏈節(jié)，是有利的。但是，在其可替換變型中，在每個(gè)情況下第一和/或第二電絕緣的承載膜還僅能夠部分性地延伸超出一個(gè)導(dǎo)體鏈節(jié)。最終，還可想到的是，第一和/或第二電絕緣的第二石墨膜將形成為使得延伸得超出所有分配至第一或者第二殼體壁的導(dǎo)體鏈節(jié)。作為其替換，再次可想到的是，在每個(gè)情況下第一和/或第二電絕緣的第二石墨膜僅部分性地延伸超出一個(gè)導(dǎo)體鏈節(jié)的。
[0016]在優(yōu)選實(shí)施例中，兩個(gè)石墨膜和承載膜依靠加熱、尤其依靠熱壓結(jié)合至殼體壁和導(dǎo)體鏈節(jié)。特別優(yōu)選地，在該情況下利用至少2N/mm2的壓力，將膜加熱至超過500°C的溫度和/或彼此按壓或者按壓至殼體壁/導(dǎo)體鏈節(jié)。以該方式，能夠最小化殼體壁和導(dǎo)體鏈節(jié)之間的熱阻力。
[0017]在另一優(yōu)選實(shí)施例中，第一石墨膜能夠具有小于1mm的膜厚度，優(yōu)選小于0.5mm。作為替換或者額外地，第二石墨膜能夠具有小于1mm的膜厚度，優(yōu)選小于0.5mm。作為替換或者額外的，提議設(shè)置具有小于0.5mm的膜厚度的承載膜。這些測(cè)量可以單獨(dú)使用或者組合使用，還導(dǎo)致降低熱阻力。
[0018]同時(shí)，在進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例中，承載膜包括陶瓷材料或者能夠是陶瓷材料，特別低制造成本生產(chǎn)。
[0019]在該實(shí)施例的有利發(fā)展中，提議鋁氧化物和/或鋁氮化物和/或硅氮化物和/或氧化鋯用作陶瓷材料，使得承載膜包括由這些材料中的一種組成的一個(gè)或多個(gè)這些材料。所有這些材料都具有高傳熱性，但同時(shí)還具有電絕緣，結(jié)果是它們非常適合在第一和第二電絕緣中用作電絕緣體和熱導(dǎo)體。
[0020]在另一優(yōu)選實(shí)施例中，由金屬組成、尤其由鐵或者銀或者銅組成的金屬化層能夠施加至第一和/或第二石墨膜。這導(dǎo)致改善了在承載膜上石墨膜的粘接。
[0021]為了改善第一石墨膜至殼體壁的粘接，提議在每個(gè)情況下一個(gè)第一粘接促進(jìn)層設(shè)置在第一石墨膜和第一殼體壁之間和/或第一石墨膜和第二殼體壁之間。該粘接促進(jìn)層能夠包括例如具有在膜的加熱或者熱壓期間化學(xué)改變的成分的粘著劑。
[0022]為了改善第二石墨膜至導(dǎo)體鏈節(jié)的粘接，對(duì)應(yīng)地提議在每個(gè)情況下一個(gè)第二粘接促進(jìn)層設(shè)置在第二石墨膜和相應(yīng)的導(dǎo)體鏈節(jié)之間。第二粘接促進(jìn)層還能夠包括具有在膜的加熱或者熱壓期間化學(xué)改變的成分的粘著劑。
[0023]為了確保對(duì)熱電發(fā)電機(jī)效率至關(guān)重要的作用為熱側(cè)和冷側(cè)的兩個(gè)殼體壁的熱絕緣，已經(jīng)證明依靠熱絕緣密封元件將所述殼體壁彼此熱絕緣是有利的。在該內(nèi)容中，應(yīng)該考慮由熱絕緣粘著劑組成的粘著劑接頭或者由彈性體或者另一合適的塑料材料組成的密封元件。
[0024]此外本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)熱電發(fā)電機(jī)、尤其是上文提議的熱電發(fā)電機(jī)的方法。根據(jù)本發(fā)明的方法包括以下步驟:
[0025]a)提供殼體，該殼體限定殼體內(nèi)部并且包括第一殼體壁和與第一殼體壁對(duì)置的第二殼體壁，其中，兩個(gè)殼體壁彼此熱絕緣。兩個(gè)殼體壁中的一個(gè)充當(dāng)熱電發(fā)電機(jī)的熱側(cè)，而另一個(gè)殼體壁充當(dāng)冷側(cè)。例如能夠考慮優(yōu)選金屬諸如鋁、鋼、鎳、銅或者鈦?zhàn)鳛橛糜跉んw的材料。
[0026]b)提供多個(gè)熱電元件在殼體內(nèi)部，多個(gè)熱電元件每個(gè)均包括熱電活性材料并且彼此隔開布置在殼體內(nèi)部，其中兩個(gè)相鄰熱電元件依靠導(dǎo)電導(dǎo)體鏈節(jié)彼此連接。例如，合適的熱電活性材料是碲化鉍以及方鈷礦材料。
[0027]c)依靠電絕緣第一電絕緣將導(dǎo)體鏈節(jié)緊固至第一殼體壁的面向殼體內(nèi)部的內(nèi)側(cè)，或者依靠電絕緣第二電絕緣將其緊固至第二殼體壁的面向殼體內(nèi)部的內(nèi)側(cè)。在該情況下兩個(gè)電絕緣均包括至少一個(gè)石墨膜，該石墨膜與由電絕緣材料組成的承載膜互相作用，用作熱電元件的導(dǎo)體鏈節(jié)和殼體壁之間的電絕緣但熱導(dǎo)電的界面