专利名称：用于热电发电机的热交换器的制作方法
用于热电发电机的热交换器
背景技术：
根据型号可以高达35%的由汽车产生的废热经常不加利用地排放到周围环境中。然而有效地利用这种热能会带来燃料需求的降低。利用这种废气热量的方案是热电发电机(TEG)。在沿着导体存在温度差时在两个相互连接的导体的自由端部上产生电压。从废气热量中产生能量的装置是已知的并且例如在DE 10 2008 005 334 Al中得到公开。为了更好地利用废气能量，散发热量的流体流过的流动通道部分地具有肋形式的加固装置，其通常以等距离的间隔相互安置。所述肋增加了流动通道的表面积并且负责散 发热量的流体与流动通道之间更好的热传递。目前不存在批量使用用于回收废气热量的热电发电机。用于这种应用的试验载体大多数由不加肋或者连续加肋的扁平通道构成。不加肋的通道具有较差的热转移系数并且阻碍了废气能量的有效利用。在加肋的通道中可以实现较高的热流密度，由此可以降低热电发电机所需的结构空间以及所需的数量。然而连续的加肋在典型的废气应用中会沿着流动方向连续地降低TEG加热侧温度，这由沿着流动方向仅仅微弱变化的热转移系数引起，由于该热转移系数所述TEG加热侧温度连续地跟随强烈下降的废气温度。DE 10 2007 062 826 Al公开了一种用于汽车的热交换器。公开文件示出了具有肋元件的热交换器，所述肋元件以不同的密度进行布置，由此影响了热转移。为了节省重量以及成本并且为了热流最大化，所述肋元件在第一流体的入口区域内具有特别密集的布置，从而支持在那里积累的到第二流体上的最大热量传递。
发明内容
为了能够利用包含在废气中尤其包含在汽车内燃机中的热量的尽可能大的部分，构造按本发明的用于热电发电机(TEG)的热交换器，其具有用于增加流动通道表面积并且由此改善热传递的肋。按本发明所述肋没有以等距离的间隔相互安置，而是配合所期待的热流具有沿流动方向增加的肋密度。按本发明提出的用于热电发电机的具有配合的肋密度的热交换器实现了有效的废气热量回收，该回收能够从其它未加利用的能量中获得电流，该电流可以用于轿车的不同的系统并且决定性地对节省燃料作出贡献，降低了 CO2产量并且降低了有害物质排放。由此，热电发电机改善了能量效率、环境可持续发展以及经济性，并且在此是坚固的、无维护的并且可以配合不同的应用领域。连续的加肋在典型的废气应用中引起TEG加热侧温度沿着流动方向连续地降低，因为热转移系数仅仅微弱地沿着流动方向变化并且TEG加热侧温度连续地跟随强烈下降的废气温度。这使得热电发电机在最后一列热交换器中由于降低效率的较小的温度差并且由于较小的热流密度而无效地工作。首先，当例如通过所使用的TEG材料限制所允许的最大温度时，必须将热交换器入口上的壁温度限制到允许的最大温度上并且由此降低整个可利用的能量。用按本发明提出的调整的肋密度实现了比在等距离加肋中显著更有效地利用热流。通过增加肋密度提高热转移是已知的物理关系，然而反向于现有技术公开的方向实现肋密度的这种增加，这里重要的是节省材料。肋密度的这种有针对性的变化使得热流均匀化并且由此产生在热交换器的整个长度上定义的温度轮廓。可以通过沿流动方向提高热转移来实现TEG加热侧温度的有利的均匀化。这可以通过纵向肋的分布以及沿流动方向增加的肋密度实现。当最大允许的TEG温度限制了入口上的TEG加热侧温度时，可以通过增加的肋密度整体实现热交换器的更高的热功率。这种方法不仅可以用于在热交换器中通常波浪状的肋例如人字形肋，而且也可以用于平整的肋。此外，可以组合平整的以及波浪状的肋。波浪状的肋在热转移相同时具有较小的肋密度并且由此具有降低的重量，然而也具有较小的强度。由此，其在热交换器的要求较高热转移的区域内提供了优点。当外部预紧力施加到系统上时，在具有较低热传递的区域中，紧密的平整的肋可能是优选的。可以引入任意多的分布，然而其中污垢沉积的倾向也就是由所使用的加热介质的·成分引起的脏物必须在肋的前缘上得到关注。例如可以通过TEG元件方式的分布有意义地进行细分。另一优点是增加的整个热流。导体之间的温度差越大，那么热电发电机就能产生更多的电流。热电发电机在最后一列热交换器中由于较小的温度差以及较小的热流密度而无效地工作。首先，当(例如通过所使用的TEG材料)限制允许的最大温度时，必须将热交换器的入口上的壁温度限制到允许的最大温度上并且由此降低整个可利用的能量。通过调整的肋密度实现了温度差以及热流密度的均匀化，这对热电发电机的有效利用作出贡献。使肋密度配合热流特别对于热电发电机中的使用来说是有意义的，因为由此热电模型沿着废气的纵向察觉到类似的废气功率，尽管废气温度降低了。由此，在不同的热电模型系列中产生了有效的电功率，这降低了对直流调节器的要求。
下面根据附图对本发明进行深入的描述。附图示出
图I是具有加肋的热通道以及三列沿流动方向的热电发电机(TEG)的热交换器的示例性结构，
图2是用于加热介质的具有增加的肋密度的内部加肋的通道，
图3是用于加热介质的内部加肋的通道的两个不同的实施变型方案的纵剖俯视图
a)具有增加的肋密度的平整的肋
b)列I和2中平整的肋+列3中波浪状的肋，以及
图4a是在通过Tmax连续加肋以及限制时TEG热交换器中沿流动方向的质方面的温度曲线，
图4b是在三个TEG元件中增加肋密度时TEG热交换器中沿流动方向的质方面的温度曲线。
具体实施例方式图I示出了具有加肋的热通道以及沿流动方向的三列热电发电机(TEG)的热交换器的可能的构造。在可能的实施方式中，热交换器10可以作为散热器具有两个用于冷却介质16的通道12、14。在此，所述一个用于冷却介质16的通道12在热交换器10的底侧18上延伸，并且用于冷却介质16的第二通道14在热交换器10的上侧20上延伸。用于加热介质26的用作热源的额外的通道24位于热交换器10的中间22。用于冷却介质16的通道12、14以及用于加热介质26的通道24在相互平行的平面内延伸并且在此形成了具有堆垛轴线30的堆栈28。沿着堆垛轴线30看，交替地布置用于冷却介质16的通道12、14和用于加热介质26的通道24。
用于冷却介质16的替换的通道12、14和用于加热介质26的通道24的其它组合同样是可以的。通过用于加热介质26的通道24可以引导散热的流体，其中散热的流体优选来自废热系统并且特别优选是汽车内燃机的废气。吸收热的流体可以流过用于冷却介质16的通道12和14。优选冷却流动方向32反向于加热流动方向34。在热交换器10内部、在用于冷却介质16的通道12和用于加热介质26的通道24之间或者说在用于加热介质26的通道24和用于冷却介质16的通道14之间存在一定数量热电发电机36。在热交换器10的运行中用热流流流过加热介质26的通道24。包含在流体中的热量作为热流40流过热电发电机36并且由该热电发电机吸收。以冷却流体流过冷却介质16的通道12和14，该冷却流体在热流40导过热电发电机36之后吸收该热流40。通过加热介质26的不同温度Tl与冷却介质16的温度TO形成了温度梯度AT。通过温度差AT驱动，载流子在半导体材料中移动并且形成电流。 借助于热电发电机36可以产生电压，该电压可以作用在热交换器10的电接口(没有示出)上。为了获得足够大的电压并且由此提高热交换器10的电功率，优选将热交换器10中的多个热电发电机36在冷却介质16与加热介质26之间装配在盖板上并且并联和/或成列。这样布置的热电发电机36此后称作TEG列38. I、38. 2、38. 3沿着热流方向34进
行安置。在用于冷却介质16的通道12、14和用于加热介质26的通道24之间分别存在至少一个用空气填充的中间空间68，该中间空间实现了 TEG列(38 )的各个支点之间灵活的补
\-ZX o图2示出了用于加热介质的具有增加的肋密度的内部加肋的通道的剖面。用于加热介质26的被通道外罩48包围的通道24在内部区域54内包括大量构造成肋42形式的加固装置。所述肋42优选从用于加热介质26的通道24的一侧56延伸到用于加热介质26的通道24的对置一侧58，使得肋42的表面最大化，这对改善的热传递作出贡献。所述肋42可以通过连续的强度或者降低的强度断开地构造。
优选至少一个肋42与用于加热介质26的通道24材料连接、形状配合连接或传力连接。除了可靠并且耐用的固定之外，由此确保了用于加热介质26的通道24与所述至少一个肋42之间特别好的热传递。图3是用于加热介质的内部加肋的通道的两个不同的实施变型方案的纵剖俯视图，其具有带有增加的肋密度(3a)的平整的肋以及带有增加的肋密度的平整的肋与波浪状的肋的组合。用于加热介质26的通道24的内部区域54中构造成肋42的加固元件不仅可以构造成波浪状的肋50例如人字肋，也可以构造成平整的肋52。可以引入任意多的分布，然而其中污垢沉积的倾向也就是由所使用的加热介质26的成分引起的脏物必须在肋42的前缘上得到关注。两个肋42之间的间距60沿着热交换器长度46方向沿着热流方向34减小。在图2和3中以3级-低的肋密度60、中等的肋密度62以及高的肋密度64-示出沿热流方向34 具有增加的肋密度的用于加热介质26的通道24的内部区域54。通过肋42的这种增加提供了每体积增加的表面积用于以冷却介质16交换加热介质26的热量。由此确保了即使TEG列38. 3在热交换器10的后面的端部44上，温度梯度A T也足够大并且实现了热流40的有效利用。此外，通过改变肋42的数量确保了单个TEG列38. 1,38. 2,38.3的效率是近似恒定的，即使加热介质26的温度Tl减少了。由此，在不同的TEG列38. I、38. 2、38. 3中产生了近似统一的电功率，这降低了对直流调节器的要求。例如可以通过TEG元件方式的分布有意义地细分肋密度。因此，肋42的数量沿着热交换器长度46随着每个TEG列38. I、38. 2、38. 3而增加。此外，如图3 (b)所示，也可以在热交换器10中为了均匀化热流以及降低重量而组合平整的肋52和波浪状的肋50。波浪状的肋52在相同的热传递之下具有更小的肋密度并且由此具有减少的重量，然而也具有较少的强度。由此，其在热交换器的要求较高热传递的区域内提供了优点。当外部预紧力施加到系统上时，在具有较低热传递的区域中，紧密的平整的肋52可能是优选的。肋42的配合热流40的数量在热交换功率相同时额外地实现了材料减少以及重量减少，这在制造热交换器10时以及在其运行中产生了费用的节省。图4a和4b示出了在具有连续加肋(4a)的TEG热交换器中或者说在如图3a所示的TEG元件(4b)中对于三个TEG元件(4b)肋密度沿着流动方向以元件方式增加时TEG热交换器中的质方面的温度曲线的比较。图4a示出了热电发电机中加热侧温度TH关于具有连续加肋的热交换器中热流40所经过的距离X的稳定下降。此外，Tmax表示允许的最大温度，其限制了入口上的加热侧温度TH。温度差TH-TC下降，并且由此降低了连续加肋的热交换器的效率。图4b示出了热电发电机中加热侧温度TH关于具有以元件方式增加加肋的热交换器10中热流40所经过的距离X的阶梯状的下降。TH同样通过允许的最大温度Tmax进行限制。肋42的数量根据单个TEG列38. 1、38. 2、38. 3增加，从而增加了用于热传递的表面并且提高了 TEG加热侧温度TH，这产生了增加的温度差TH-TC。在连续的加肋中必须在整个热交换长度46上确定变差的热传递，然而在匹配的肋42中可以实现热交换器10的后面端部44上热转移的增加 并且提高整个热功率，并且由此提高热电发电机的电功率。
权利要求
1.用于热电发电机的热交换器(10)，其特征在于，该热交换器(10)装备有至少两个用于冷却介质(16)的通道(12、14)以及至少一个用于加热介质(26)的通道(24)，其中所述至少一个用于加热介质(26)的通道(24)在内部区域(54)中有肋(42)。
2.按权利要求I所述的用于热电发电机的热交换器(10)，其特征在于，所述肋(42)的数量沿着热流方向(34)增加。
3.按上述权利要求中任一项或多项所述的用于热电发电机的热交换器(10)，其特征在于，肋(42)的数量随着热电发电机的以元件方式的增加而增加。
4.按上述权利要求中任一项或多项所述的用于热电发电机的热交换器(10)，其特征在于，用于冷却介质(16)的通道(12、14)和用于加热介质(26)的通道(24)沿着相互平行的平面延伸，在此形成了具有堆垛轴线(30)的堆栈(28)并且用于冷却介质(16)的通道(12、14)和用于加热介质(26)的通道(24)沿着堆垛轴线(30)交替地布置。
5.按上述权利要求中任一项或多项所述的用于热电发电机的热交换器(10)，其特征在于，加热介质(26 )输入热交换器(10 )中，该加热介质优选来自废热系统并且特别优选是汽车内燃机的废气。
6.按上述权利要求中任一项或多项所述的用于热电发电机的热交换器(10),其特征在于，冷流方向(32)反向于热流方向(34)。
7.按上述权利要求中任一项或多项所述的用于热电发电机的热交换器(10)，其特征在于，在热交换器(10)的内部存在至少一个TEG列(38)，其中沿着热流方向(34)安置热电发电机。
8.按上述权利要求中任一项或多项所述的用于热电发电机的热交换器(10)，其特征在于，所述热电发电机由半导体材料制成。
9.按上述权利要求中任一项或多项所述的用于热电发电机的热交换器(10)，其特征在于，多个热电发电机在热交换器(10)中在冷却介质(16)和加热介质(26)之间并行装配。
10.按上述权利要求中任一项或多项所述的用于热电发电机的热交换器(10)，其特征在于，多个热电发电机在热交换器(10)中在冷却介质(16)和加热介质(26)之间成列装配。
11.按上述权利要求中任一项或多项所述的用于热电发电机的热交换器(10)，其特征在于，多个热电发电机在热交换器(10)中在冷却介质(16)和加热介质(26)之间并行地并且成列地装配。
12.按上述权利要求中任一项或多项所述的用于热电发电机的热交换器(10)，其特征在于，所述肋(42 )构造成波浪状的肋(50 )。
13.按上述权利要求中任一项或多项所述的用于热电发电机的热交换器(10)，其特征在于，所述肋(42)构造成平整的肋(52)。
14.按上述权利要求中任一项或多项所述的用于热电发电机的热交换器(10)，其特征在于，所述肋(42)在用于加热介质(26)的通道(24)的内部从用于加热介质(26)的通道(24)的一侧(56)伸到用于加热介质(26)的通道(24)的对置侧(58)。
15.按上述权利要求中任一项或多项所述的用于热电发电机(36)的热交换器(10),其特征在于，至少一个肋(42 )与用于加热介质(26 )的通道(24 )材料连接、形状配合连接或者传力连接。
全文摘要
本发明涉及一种用于热电发电机的热交换器(10)，其具有至少两个用于冷却介质(16)的通道(12、14)以及至少一个用于加热介质(26)的通道(24)，其中所述至少一个用于加热介质(26)的通道(24)在内部区域(54)中备有肋(42)。按本发明所述肋(42)以沿着热流方向(34)增加的数量安置在肋(42)上，这还对有效利用以及热流均匀化作出贡献。
文档编号H01L35/30GK102714270SQ201080062830
公开日2012年10月3日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年2月1日
发明者P.格拉泽 申请人:罗伯特·博世有限公司