专利名称：具有管束的热电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有至少一个排气线路的热电装置，所述排气线路具有用于排气的入口和出口。所述热电装置尤其用于从发动机的排气产生电能。所述类型的热电装置也被已知为热电发生器(TEG)。
背景技术：
来自于机动车的发动机的排气具有热能，该热能可通过所述类型的热电装置而被转化成电能，例如以用于充入能量储存器和/或直接向电消耗装置供给所需的能量。因此， 机动车以较大的能量效率运行，并且更大量的能量可供机动车的运行来使用。所述类型的热电装置具有至少多个热电转换元件。用于此目的的热电材料是下列类型的其可将热能有效地转化成电能(塞贝克效应)，反之亦然(珀耳帖效应)。该“塞贝克效应”基于热能被转化成电能的现象并且用于产生热电能量。该“珀耳帖效应”是逆向的 “塞贝克效应”并且是一种与热吸附相关联的现象，其缘由与经过不同材料的电流有关。这两种效应是已知的，因此在此不需要更详细地描述。所述类型的热电转换元件优选具有大量的热电元件，所述热电元件定位在所谓的热侧(在运行期间在此存在高温)与所谓的冷侧(在运行期间在此存在较低的温度)之间。 热电元件包括至少两种(P型和η型)半导体元件，所述半导体元件在它们的顶侧和底侧 (分别朝向热侧和冷侧)交替地配备有导电电桥(Bruecken)。陶瓷板或陶瓷覆层和/或类似的材料用于使金属电桥绝缘并且因此优选布置在所述金属电桥之间。如果在半导体元件的两侧存在温度梯度，则形成一电压电势。在此，在第一半导体元件的热侧处热量被吸收， 其中一侧的电子转移到相随的半导体元件的能量较高的导带上。在冷侧，电子接着可以释放能量并且转移到相随的较低能级的半导体元件上。因此在热侧与冷侧之间存在相应的温度梯度的情况下，可产生电流。对于所述类型的热电装置的一潜在的应用是机动车中的排气再循环系统(AGR或 EGR exhaust gas recirculation)。在此，在发动机中产生的一部分排气首先被引导至常规的排气系统，然而随后被分流并且再次供给至发动机。鉴于发动机的效能以及排气中污染物质的减少，通常对被再循环的排气进行冷却。因此，通常在排气再循环系统的区域中设置热交换器，借助该热交换器来将热的排气冷却。然而，在此必须对所述类型的热电装置提出特别高的要求，因为通常仅存在有非常小的可用安装空间。这导致了下列情况很难实现 针对热电转换元件，必须实现特别好的热传递，同时也获得期望的冷却。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，至少部分地解决现有技术中突出的问题。尤其是，力求提供一种热电装置，该热电装置具有高的效率并且尤其也确保对再循环排气进行足够的冷却。为此，也力求提供一种特别合适的运行方法。所述目的通过一种根据权利要求1所述的热电装置来实现。根据本发明的装置的有利实施例以及合适的运行方法和应用在从属权利要求中给出。应注意，权利要求中的单个阐明的特征可以以任意希望的、技术上合理的方式相互组合在一起并且形成本发明的其它的实施例。尤其是与附图相关的描述进一步阐明了本发明并且给出了本发明的另外的示例性的实施例。根据本发明的热电装置具有至少一个排气线路，所述排气线路具有入口和出口， 其中i.至少一个第一管束是热电发生器模块并且在所述热电发生器模块中所述排气线路由管的外表面形成；以及ii.至少一个其它的管束是热交换器并且在所述热交换器中所述排气线路由管的内表面形成。因此，换句话说，该热电装置的特征尤其在于，将排气引导越过管束或引导排气穿过所述管束。在此，热电装置优选具有多个模块，所述模块例如也通过相应的紧固件相互连接。因此，排气线路可以在一个模块中首先由外壳体和管的外表面形成，而所述排气线路在另一模块中单独由管的内表面形成。因此，在不同的模块中尤其是排气线路的数量或所述排气线路的构造可以是不同的。尤其在排气线路的通入热电装置的入口的下游处形成的第一管束是热电发生器模块。换句话说，所述第一管束形成有开头部分所述的半导体元件，以用于产生电能。在此，排气沿着第一管束的外侧被引导，使得能够实现从热排气至管的良好的热传递，亦即尤其是实现排气均勻地流入到第一管束中。如果合适，也可在这里采用用于改善热传递的方法/措施。通过使热排气围绕管或越过管在其大面积上流动，热量被很好地传入第一管束的管中。在热电发生器模块中，冷却剂流动穿过所述管的内部，从而在运行期间特别清楚地显示出“塞贝克效应”所需的、在所述管的外表面与所述管的内表面之间的温度梯度。在所述管的所述外表面与所述管的内表面之间布置有半导体元件。因此，显然，第一管束当然也执行热交换器的功能，但同时或主要地也实现热电功能。在排气沿着排气线路首先流动经过第一管束之后，所述排气最后被供给至另一管束，该另一管束(仅)形成热交换器。在此，排气线路由管的内表面形成，换句话说，排气现在被引导穿过管本身。在这种情况下，冷却剂在热交换器管上或周围流动经过，从而在此能够特别有效地冷却排气，因为冷却剂可以在管的大的外表面上耗散热能。仅为了完整性的目的，在此应指出的是，术语“管束”和“管”不必必须为柱形管。 特别地，可以实现任何期望的流动截面，所述管也可局部/部分地实施具有共同的壁。“管束”尤其应理解为通道集合，该通道集合具有外通道壁和内通道壁，其中所述外通道壁比内通道壁大。因此，这种管束也可被实现为蜂窝状结构、插塞式构型等等。不管怎样，通过使排气一方面在热电发生器模块周围流动经过并且另一方面流动穿过热交换器，实现了从排气至热电转换元件或从冷却剂至排气的特别好的热传递，从而两个模块特别有效地进行工作并由此可被实施具有比较小的体积。这可满足实现节省空间的热电装置的需求。根据本发明的一实施例，也提出至少两个管束被构造成一热电发生器模块并且在出口处一单个的管束被构造为热交换器。因此，在排气最后经过出口排出热电装置之前，排气首先在通向热电装置的入口的下游流动经过作为热电发生器模块的第一管束，随后流动经过作为热电发生器模块的第二管束以及最后流动经过作为热交换器的第三管束。这种热电装置使得两个热电发生器模块能够被分开地或彼此独立地调整以适应在通向热电装置的入口的下游的不同的排气温度，其中例如可使用不同的管束、半导体元件等。借助所述下游的热交换器，排气接着非常迅速地达到为了排气再循环至发动机而所需要的低温。另外，认为有利的是，设置一共同的用于管束的冷却剂循环装置，其中，该冷却剂循环装置的一连接件与形成热交换器的管束相连接，以及该冷却剂循环装置的流出口与形成热电发生器模块的至少一个管束相连接。该冷却剂循环装置也可以是发动机冷却系统的一部分或与该发动机冷却系统相连接。对于整体热电装置，优选实现为逆流原理类型，从而冷的冷却剂在出口的区域被供给并且在入口的区域又被排出。对于单个模块，尤其适用的是，在此根据逆流原理来进行冷却，也就是说排气和冷却剂在模块内部彼此垂直地流动。特别地，如果将多个管束用作一热电发生器模块，则能够将冷却剂均等地、也就是说并行地供给至所有的管束，所述冷却剂如果合适也以均等的、也就是说并行的方式再次被抽出。原则上，也能够设置至少一个旁路管路和/或控制装置，以将管束中的至少一个与冷却剂循环装置分开，其中例如针对热交换器进行该处理——如果检测到在热电装置的出口处不再需要附加的冷却。尤其是利用水来作为冷却剂。这是有利地，即在热电装置中至少形成热电发生器模块的管束的管的数量或所述管的内径小于形成热交换器的管束的管的数量或所述管的内径。换句话说，在热电发生器模块中管的数量和/或管的内径比在热交换器中的小。管的这种构型也有利于一方面从冷却剂至排气以及还从排气至热电转换元件的不同的热传递效果。在热电发生器模块中，管的数量例如处于5至30之间、尤其是处于12至M之间。 在此，内径同样优选处于5mm至15mm的范围内。相反地，如果在热交换器中管的数量处于10至60的范围(尤其是比在热电发生器模块中的多、例如特别优选热交换器包括至少两倍那么多的管或甚至具有至少30个管) 内，其中管的内径优选处于8mm至20mm之间，则该热交换器的构造是有利的。在热电发生器模块中管的内径的减小有利地提高了在内部进行的热传递的热传递系数α。在管直径保持不变的情况下，管数量的减少也增大了在内部的热传递系数α。 在此，该热传递系数α描述了气体或液体将来自管的表面的能量耗散或将能量释放至该表面的能力。所述热传递系数α另外还取决于热耗散介质以及热输送介质的比热容、密度和导热系数。导热系数通常通过所涉及的介质的温差来进行计算。热传递系数α，与导热性对比，不是材料常数，而是——在处于一环境的情况下——主要取决于与管相接触的流体的流动速度或流动类型(层流或湍流)。因此，上述值具体与如在机动车中所应用的装置相关，其中也避免了流动穿过该装置的排气的不期望的高压力损失。根据热电装置的另一改进方案，形成热电发生器模块的管束的管与形成热交换器的管束的管相比相对于排气的流动方向具有另一取向。该方案优选给出管束的一构造，在该构造中排气经过热电装置的流动方向保持一致。而在具有热电发生器模块的部段中，管以垂直于流动方向的方式取向并且排气在那里被弓丨导经过管的外表面或管之间，在具有热交换器的部段中排气进入管束的管——所述管以与排气的流动方向平行的方式取向—— 内。因此，可在排气流动经过热电装置时尤其将排气的压力损失保持在低水平。为了运行所描述的根据本发明的热电装置，优选首先将热的排气引导经过形成发生器模块的多个管束的外侧并且随后引导穿过形成热交换器的管束的管。因此，排气首先围绕发生器模块中引导冷却剂的管进行流动，并且随后冷却剂在排气被引导穿过的管周围进行流动。这种流动行为导致特别好的热传递并因此提高了发生器模块和热交换器的效率。在该方法中，特别有利的是，改变穿过被构造成为热交换器的管束的冷却剂流。因此，也可对通过热交换器的冷却剂流进行控制/调节，特别地，根据再循环排气的再循环率、排气的温度、发动机的负荷状态、发动机的温度等等进行控制。如果已检测到通过发生器模块已经将排气足够地冷却，则也可以完全中断经过热交换器的冷却剂流。本发明特别优选地应用于具有发动机和排气系统的机动车，其中，该排气系统具有用于将排气再循环至发动机的排气再循环系统，其中，排气再循环系统包括在此所描述的根据本发明的热电装置。
下面，借助附图更详细地阐明本发明以及技术领域。应指明的是，附图中示出的实施例没有对本发明进行限制并且具有示意性的性质。其中示出图1是热电装置的一实施方案；图2是热电发生器模块的管的一实施方案的细节；以及图3是在排气再循环系统中具有热电装置的机动车。
具体实施例方式图1以示意性的并且局部透视的方式示出根据本发明的热电装置1的一实施方案。在此还示意性地显示了延伸经过热电装置1的排气线路2，其中入口 3形成在上方右侧而出口 4形成在下方左侧。在该排气线路2中在壳体31中现在布置有多个管束，其中壳体 31还至少在第一管束的区域中对排气线路2进行了界定。对于壳体31，还应指出的是，该壳体优选构造有至少一个补偿元件，以补偿所述管或连接件的热膨胀。现在，排气经过入口 3沿着流动方向17流入热电装置1内。在此，排气撞击具有多个以与排气的流动方向17交叉或垂直的方式布置的管8的第一管束5。因此，排气被引导经过管8的外表面7，其中通过相应的合适的进流，在第一管束5中在管8的上方或旁边或之间实现了均勻的流动。现在，在排气流动经过第一管束5之后，随后流动经过同样具有多个管8的第二管束9。第一管束5和第二管束9相对于流动方向17具有基本相同的取向并且排气同样绕它们均勻地流动。管8的数量或所述管8相对于流动方向17的位置和/ 或所述管8的构造在第一管束5和第二管束9之间可以是不同的，但是这些管束都被构造为热电发生器模块6。换句话说，借助所述两个发生器模块6获得能量并且从壳体31引出适当的电气接线柱。因此，如下文中与图2相关联地更详细阐明的，管8具有相应的半导体元件。在排气离开第二管束9之后，所述排气与也具有多个管8的第三管束10发生撞击。在此，所述管8现在以平行于排气的流动方向17的方式取向，从而排气(仅)可以进入管8并且最后从热电装置1的出口 4附近的相对侧排出。在此，排气经过管8的内表面 12在内部被引导。
此外，图1中示出了如何构造一有利的冷却剂循环装置13。在此，冷却剂经过连接件14首先流经第三管束10，其中在该第三管束中仅应实现热交换，以便将在内部被引导经过的排气冷却至一期望的温度。在冷却剂流动穿过热交换器11之后，该冷却剂被改变方向以及随后沿着输送方向M在内部且并行地流动经过第一管束5的和第二管束9的所有的管8。在此，在冷却剂本身例如通过冷却器达到一低的温度之前，所述冷却剂再次在相对侧汇合并且经过流出口 15被再循环。现在，图2示出了一种用于热电发生器模块6的管8的可能的构造。如上文中已阐明的，管8形成一外表面7，沿着该外表面排气沿着流动方向17被引导。在此，外表面7 由外罩27形成。此外，相对于外罩27同心地，管8具有构造成管的内表面12的内罩沈。 冷却剂沿着输送方向M被引导穿过具有内径16的所述内罩26。通过所述构造，形成一环形的中间空间四，在该中间空间内现在布置有半导体元件25。在端侧，中间空间四例如设置有关闭件观、例如密封化合物或类似物，以阻止排气和/或冷却剂的进入。半导体元件 25 (其中在此η型半导体和ρ型半导体元件25显示具有不同的剖面线)布置在薄的电绝缘层上，该绝缘层既能够实现从外罩27至半导体元件25的良好的热传递，又能够实现从内罩沈至半导体元件25的良好的热传递。因此，能够相对于半导体元件25在内部和外部设置一特别大的温度梯度。如在此示出的，不同的半导体元件25以如由电气触头30限定的相互对置的方式成对地连接在一起。在运行期间，由于温度梯度而产生电流，其中获得的能量可从热电装置1被取出并且供应至期望的消耗装置和/或蓄能器。现在，图3又一次示意性地示出具有发动机19——在该发动机中产生排气——的机动车18的基本构造。排气被供给至排气系统20，该排气系统例如具有多个用于去除污染物质、颗粒等等的催化转换器22。在此示出了具有排气-涡轮增压器23的机动车18。在发动机19与涡轮增压器23之间设置有排气再循环系统21，在该排气再循环系统中集成有一热电装置1。这对于在此所描述的热电装置1是特别优选的安装位置，因为尤其是考虑到热电装置1的高性能，在此，紧凑地和节省空间地集成热电装置1已能够实现。附图标记1 热电装置2 排气线路3 入口4 出口5 第一管束6 发生器模块7 外表面8 管9 第二管束10 第三管束11 热交换器12 内表面13 冷却剂循环装置14 连接件
15流出口16内径17流动方向18机动车19发动机20排气系统21排气再循环系统22催化转换器23涡轮增压器24输送装置25半导体元件26内罩27外罩28 关闭件29 中间空间30 触头31 壳体
权利要求
1.一种具有至少一个排气线路O)的热电装置(1)，所述排气线路具有入口(3)和出口⑷，其中-至少一个第一管束( 是热电发生器模块(6)并且所述热电发生器模块(6)中所述排气线路⑵由所述管⑶的外表面(7)形成；以及-至少一个其它的管束(10)是热交换器(11)并且所述热交换器(11)中所述排气线路 (2)由所述管⑶的内表面(12)形成。
2.根据权利要求1所述的热电装置(1)，其特征在于，至少两个管束(5、9)构造成为一热电发生器模块(6)并且在所述出口(4)处一单个的管束(10)构造成为热交换器(11)。
3.根据权利要求1或2所述的热电装置(1)，其特征在于，设置一共同的、用于所述管束的冷却剂循环装置(13)，其中，所述冷却剂循环装置(1 的连接件(14)与形成热交换器 (11)的所述管束相连接，所述冷却剂循环装置(1 的流出口(1 与形成热电发生器模块 (6)的至少一个管束相连接。
4.根据上述权利要求中任一项所述的热电装置(1)，其特征在于，至少形成热电发生器模块(6)的管束(5、9)的管(8)的数量或所述管(8)的内径(16)小于形成热交换器(11) 的管束(10)的管(8)的数量或所述管(8)的内径(16)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的热电装置(1)，其特征在于，形成热电发生器模块(6)的所述管束(5、9)的所述管(8)与形成热交换器(11)的所述管束(10)的所述管 (8)相比相对于排气的流动方向(17)具有不同的取向。
6.一种用于运行根据上述权利要求之一的热电装置(1)的方法，其中热的排气首先被引导经过形成发生器模块(6)的多个管束(5、9)的外侧并且随后被引导穿过形成热交换器 (11)的管束(10)的管(S)0
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，穿过形成为热交换器(11)的管束(10)的冷却剂流被改变。
8.一种具有发动机(19)和排气系统00)的机动车(18)，其特征在于，所述排气系统 (20)具有用于将排气再循环至所述发动机(19)的排气再循环系统(21)，其中所述排气再循环系统包括根据权利要求1至5中之一所述的热电装置(1)。
全文摘要
本发明涉及一种具有至少一个排气线路(2)的热电装置(1)(TEG热电发生器)，所述排气线路具有入口(3)和出口(4)，其中，至少一个第一管束(5)是热电发生器模块(6)并且在所述热电发生器模块(6)中所述排气线路(2)由所述管(8)的外表面(7)形成；至少一个其它的管束(10)是热交换器(11)并且在所述热交换器(11)中所述排气线路(2)由所述管(8)的内表面(12)形成。
文档编号F02M25/07GK102472143SQ201080032153
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月15日 优先权日2009年7月17日
发明者A·埃德尔, R·布吕科, S·林贝克 申请人:宝马股份公司, 排放技术有限公司