热电发电机,尤其用于机动车辆的制作方法

文档序号:9694453
热电发电机,尤其用于机动车辆的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热电发电机以及涉及用于生产这种热电发电机的方法。
[0002]术语“热电”被理解为意思是温度和电力相互影响并且一个转换为另一个。热电材料利用此影响从废弃热生成电能量,作为热电发电机,当热旨在利用电能量的消耗从具有较低温度的热储油罐传输至具有较高温度的热储油罐时热电发电机还以所谓的热栗的形式使用。
【背景技术】
[0003]在具有内燃机的机动车辆中,热电发电机能够将在燃烧处理排气期间生成的废弃热局部转换为电能量,并且供给该电能量至机动车辆的车辆电分配系统。转换成电能量的该废弃热能够因此有用于降低机动车辆的能量消耗至功能上所必须的最小程度,并且避免废弃气体(诸如C02)的不必要释放。
[0004]因此改变了在汽车工程中热电发电机的应用区域。为了尽可能有效地转换热为电能量,实现很高的效率在任何可能的应用方案中是至关重要的。此外使用在机动车辆还导致用于生产具有紧凑设计的热电装置的额外要求。安装在车辆中的热电装置因此通常生产为板形状或者层状构造,其中,热电活性元件布置在热导电壳体内。壳体能够首先热连接至具有低温度的热储油罐,所谓的冷侧,而且壳体还能够热连接至具有更高温度的热储油罐,即热侧,使得由于两侧之间的温降导致热电元件生成热电电动势,两侧之间的热电电动势能够经由合适的电终端传递至外侧。热侧和冷侧之间的温度差越大,由装置生成的热电电动势越高。
[0005]典型地,热电装置包括由热电活性材料组成的多个热电元件,多个热电元件经由电串联电路中合适的电导体链节彼此连接。在该情况下单个电导体链节尤其连接两个相邻热电元件。
[0006]已经证明在热电发电机中永久紧密连接至彼此是有问题的。这是因为使用在热电发电机的各种部件中的材料典型地具有不同的热膨胀系数,在温度波动以根据操作的方式发生在热电发电机中的情况下,不同的热膨胀系数能够在受影响的部件的材料中导致相当大的热电应力。
[0007]在该【背景技术】下,DE102012208295A1描述了一种包括装在壳体元件上的热电元件的热电模块。已经通过将结合材料按压于一起形成的接头接缝区域设置在两个元件之间。旨在在热电元件上能够设置防止结合材料不期望地进入热电元件的热电活性材料的扩散隔膜。
[0008]W02011/159804 A2公开了一种包括由方钴矿组成的热电活性元件的热电装置。该装置包括层,该层充当扩散隔膜并且以夹层方式布置在热电活性元件以及用于制作电触头的金属层之间。在一个变型中,金属层还能够设置在扩散隔膜和热电元件之间。

【发明内容】

[0009]本发明的目的在于提供改进的消除上述问题的热电装置的实施例。
[0010]该目的是通过独立专利权利要求的主题实现的。优选实施例是从属专利权利要求的主题。
[0011]因此,本发明的基本构思在于结合导体链节,使用由石墨组成的膜将热电发电机的热电活性元件连接至热电发电机的金属壳体壁。借助于石墨膜将这种导体链节紧固至壳体壁构成了非紧密连接。然而,为了确保热电元件和壳体之间操作热电发电机所需的高效热接触,能够在应用到导体链节或者壳体的壳体壁期间加热石墨膜。以该方式,最小化石墨膜和壳体壁或者导体链节之间的热阻力。此外,石墨膜能够充当热机械界面,依靠该热机械界面,能够在很大程度上或者甚至完全避免由于它们不同的热膨胀系数发生在导体链节和壳体壁之间的热机械应力。
[0012]根据本发明的热电发电机具有充分尺寸的壳体,优选由金属组成,限定壳体内部。壳体包括第一壳体壁和与第一壳体壁对置的第二壳体壁,其中,两个壳体壁彼此热绝缘。因此,第一壳体壁能够以公知方式充当热侧,而第二壳体壁能够充当热电发电机的冷侧,或者反之亦然。多个热电元件彼此隔开布置在壳体内部,所述热电元件包括热电活性材料。各个热电元件能够沿着壳体的纵向方向彼此等距布置。除了相对于纵向方向位于端部的两个热电元件之外,每个热电元件都在其面向第一壳体壁的一侧在纵向方向上依靠由导电材料组成的导体链节电连接至相邻元件。相同热电元件在其面向第二壳体壁的一侧在与纵向方向对置的方向上依靠另一导体链节电连接至相邻元件,或者反之亦然。清楚的是,对于仅相邻的热电元件,仅一个导体链节需要用于两端侧的热电元件,单个导体链节布置在面向第一壳体壁的一侧上或者布置在分配至第二壳体壁的一侧上。
[0013]根据本发明,每个导体链节都依靠电绝缘第一电绝缘装在第一壳体壁的面向壳体内部的内侧,或者依靠电绝缘第二电绝缘装在第二壳体壁的面向壳体内部的内侧。在该情况下第一和第二电绝缘均包括至少一个石墨膜。
[0014]在以下优选实施例中,在热传递以及避免壳体壁和导体链节之间的热电电动势方面能够实现改进的界面:第一电绝缘在每个情况下设置有面向第一壳体壁的第一石墨膜和面向导体链节的第二石墨膜的,其中由电绝缘材料组成的承载膜设置在石墨膜之间。在该实施例中,相同参照使用于第二电绝缘。
[0015]通过优选实施例实现特别好的热机械属性,在优选实施例中,第一和/或第二电绝缘的第一石墨膜延伸得超出所有分配至第一或者第二壳体壁的导体链节。作为其替换,还可想到的是,在每个情况下第一和/或第二电绝缘的第一石墨膜仅部分性地延伸超出在一个导体链节。类似地,已经证明如果第一和/或第二电绝缘的承载膜延伸得超出所有分配至第一和/或第二壳体壁的导体链节,是有利的。但是,在其可替换变型中,在每个情况下第一和/或第二电绝缘的承载膜还仅能够部分性地延伸超出一个导体链节。最终,还可想到的是,第一和/或第二电绝缘的第二石墨膜将形成为使得延伸得超出所有分配至第一或者第二壳体壁的导体链节。作为其替换,再次可想到的是,在每个情况下第一和/或第二电绝缘的第二石墨膜仅部分性地延伸超出一个导体链节的。
[0016]在优选实施例中,两个石墨膜和承载膜依靠加热、尤其依靠热压结合至壳体壁和导体链节。特别优选地,在该情况下利用至少2N/mm2的压力,将膜加热至超过500°C的温度和/或彼此按压或者按压至壳体壁/导体链节。以该方式,能够最小化壳体壁和导体链节之间的热阻力。
[0017]在另一优选实施例中,第一石墨膜能够具有小于1mm的膜厚度,优选小于0.5mm。作为替换或者额外地,第二石墨膜能够具有小于1mm的膜厚度,优选小于0.5mm。作为替换或者额外的,提议设置具有小于0.5mm的膜厚度的承载膜。这些测量可以单独使用或者组合使用,还导致降低热阻力。
[0018]同时,在进一步优选实施例中,承载膜包括陶瓷材料或者能够是陶瓷材料,特别低制造成本生产。
[0019]在该实施例的有利发展中,提议铝氧化物和/或铝氮化物和/或硅氮化物和/或氧化锆用作陶瓷材料,使得承载膜包括由这些材料中的一种组成的一个或多个这些材料。所有这些材料都具有高传热性,但同时还具有电绝缘,结果是它们非常适合在第一和第二电绝缘中用作电绝缘体和热导体。
[0020]在另一优选实施例中,由金属组成、尤其由铁或者银或者铜组成的金属化层能够施加至第一和/或第二石墨膜。这导致改善了在承载膜上石墨膜的粘接。
[0021]为了改善第一石墨膜至壳体壁的粘接,提议在每个情况下一个第一粘接促进层设置在第一石墨膜和第一壳体壁之间和/或第一石墨膜和第二壳体壁之间。该粘接促进层能够包括例如具有在膜的加热或者热压期间化学改变的成分的粘着剂。
[0022]为了改善第二石墨膜至导体链节的粘接,对应地提议在每个情况下一个第二粘接促进层设置在第二石墨膜和相应的导体链节之间。第二粘接促进层还能够包括具有在膜的加热或者热压期间化学改变的成分的粘着剂。
[0023]为了确保对热电发电机效率至关重要的作用为热侧和冷侧的两个壳体壁的热绝缘,已经证明依靠热绝缘密封元件将所述壳体壁彼此热绝缘是有利的。在该内容中,应该考虑由热绝缘粘着剂组成的粘着剂接头或者由弹性体或者另一合适的塑料材料组成的密封元件。
[0024]此外本发明涉及一种用于生产热电发电机、尤其是上文提议的热电发电机的方法。根据本发明的方法包括以下步骤:
[0025]a)提供壳体,该壳体限定壳体内部并且包括第一壳体壁和与第一壳体壁对置的第二壳体壁,其中,两个壳体壁彼此热绝缘。两个壳体壁中的一个充当热电发电机的热侧,而另一个壳体壁充当冷侧。例如能够考虑优选金属诸如铝、钢、镍、铜或者钛作为用于壳体的材料。
[0026]b)提供多个热电元件在壳体内部,多个热电元件每个均包括热电活性材料并且彼此隔开布置在壳体内部,其中两个相邻热电元件依靠导电导体链节彼此连接。例如,合适的热电活性材料是碲化铋以及方钴矿材料。
[0027]c)依靠电绝缘第一电绝缘将导体链节紧固至第一壳体壁的面向壳体内部的内侧,或者依靠电绝缘第二电绝缘将其紧固至第二壳体壁的面向壳体内部的内侧。在该情况下两个电绝缘均包括至少一个石墨膜,该石墨膜与由电绝缘材料组成的承载膜互相作用,用作热电元件的导体链节和壳体壁之间的电绝缘但热导电的界面
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