本申请要求于2017年5月16日提交的意大利专利申请第102017000052891号的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
本发明涉及用于内燃发动机排气系统的热电发电机(也被称为“teg”)。
背景技术
在不断寻求提高内燃发动机效率的过程中，最近提出了利用由排出气体所拥有的部分热量(否则其将通过排气系统完全散发在大气中)以通过使用热电(thermoelectric)单元来产生电力。
因此已经提出沿着排气系统配置热电发电机，所述热电发电机设置有多个固态热电单元，每个固态热电单元具有热侧(所述热侧取决于其中布置有热电发电器的排气系统的面积可具有250-750℃的温度)和冷侧(与热侧相对)，所述热侧暴露于排出气体以被排出气体加热，而所述冷侧由冷却流体恒定地冷却(所述冷却流体与排出气体严格地隔离，并且通常由也通过散热器循环而将热量传递到外部环境的水构成)。
当在其热侧和其冷侧之间存在温差时，固态热电单元能够将热量转换为电能(通过塞贝克效应(seebeckeffect))。通过确保热电单元的冷侧温度保持充分低于热侧的温度来保证产生电力的有效性，因此必须提供冷侧的恒定冷却。
通过实例的方式，专利申请wo2011107282，us2011083831a1，ep2765285a1，us2014305481a1，us2015128590a1和us2016155922a1描述了用于内燃发动机排气系统的热电发电机。
专利申请de102011005206a1和ep2498309a1也描述了用于内燃发动机排气系统的热电发电机。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于内燃发动机排气系统的热电发电机，其中所述热电发电机允许在产生电能的过程中实现高的能量效率，并且同时容易地且便宜地制造。
根据本发明，提供一种用于内燃发动机排气系统的热电发电机；该热电发电机包括：
至少一个供给元件，该供给元件设置有至少一个管道，所述管道设计成由排出气体流过、沿供给方向在入口开口和出口开口之间延伸并且具有至少一个平行于供给方向的第一热交换壁；
至少一个冷却元件，其设计成用于移除热量、靠近管道并具有至少一个平行于第一热交换壁的第二热交换壁；以及
至少一个热电单元，所述至少一个热电单元介于管道和冷却元件之间并且具有贴靠在第一热交换壁上的热侧和贴靠在第二热交换壁上的冷侧；
其中供给元件包括前壁，前壁刚性地与管道成一体、垂直于管道和第一热交换壁并且具有中央入口开口；以及
其中供给元件包括后壁，后壁刚性地与管道成一体、垂直于管道和第一热交换壁、与前壁平行并且具有中央出口开口；
该热电发电机的特征在于，当两个供给元件(6)叠加时，供给元件的前壁的或后壁的上边缘或下边缘被外展以便提供机械互锁。
附图说明
现在将参照示出非限制性实施例的实例的附图来描述本发明，其中：
图1是根据本发明制造的用于内燃发动机排气系统的热电发电机的立体图；
图2是缺少入口管和出口管的图1所示热电发电机的立体图；
图3、图4和图5是为了清楚起见而缺少某些部分的图1所示热电发电机的不同立体图；
图6是为了清楚起见而缺少某些部分的图1所示热电发电机的正视图；
图7是为了清楚起见而缺少某些部分的图1所示热电发电机的侧视图；
图8是沿图1所示热电发电机的线viii-viii截取的剖视图；
图9是沿图1所示热电发电机的线ix-ix截取的剖视图；以及
图10至图13是为了清楚起见而缺少某些部分的图1所示热电发电机的变型的不同立体图。
具体实施方式
在图1中，附图标记1表示作为整体的用于内燃发动机排气系统的热电发电机(即能够将由排出气体所拥有的部分热量转换为电能的装置)。
热电发电机1可沿着排气系统布置在不同的区域中。例如，热电发电机1可以直接布置在内燃发动机的排气歧管(并且如果存在的话是压缩涡轮机)的下游，其可以布置在催化剂和微粒过滤器之间，或者其可以布置在微粒过滤器的下游。
内燃发动机的排气系统包括：排出气体入口管2，将来自内燃发动机的热排出气体通过排出气体入口管2朝向热电发电机1供给(即入口管2终止于热电发电机1中)；和排气出口管3，从热电发电机1出来的排出气体通过该排气出口管3被供给到外部环境中(即出口管3源自热电发电机1)。
热电发电机1包括容纳四个固态热电单元5(在图5、图6、图7和图9中示出)的平行六面体形状的封闭壳体4，每个固态热电单元5当其热侧和其冷侧之间存在温差时能够将热量转换成电能(通过塞贝克效应)。通过确保每个热电单元5的冷侧的温度保持充分低于热侧的温度来保证发电效率，并且因此有必要提供热侧的恒定加热以及冷侧的恒定冷却两者。
根据图3和图4中所示，热电发电机1包括两个叠加的供给元件6，每个供给元件6设置有由排出气体流过的管状管道7。每个供给元件6的管状管道7具有平行六面体形状(即其具有矩形横截面)并且沿着供给方向(在所示实施例中构成直线的)在入口开口8(排出气体通过其进入)和出口开口9(排出气体通过其离开)。每个供给元件6的管状管道7具有一对平行且相对的热交换壁10，热交换壁10也平行于供给方向，其中相应的热电单元5的热侧贴靠在每个热交换壁10上。
优选地并且如图2-6中所示，每个供给元件6的管道7内部设置有多个翅片，所述翅片平行于供给方向并且其作用是增加热交换表面。
如图3、图5、图6、图7和图9中所示，热电发电机1包括三个冷却元件11，每个冷却元件减少热量；三个冷却元件11与供给元件6的管道7交替。具体地，每个冷却元件11具有平行六面体形状并且具有一对平行且相对的热交换壁12，热交换壁12也平行于管道7的热交换壁10，即平行于管道7的供给方向。相应的热电单元5的冷侧贴靠在一些热交换壁12上。以这种方式，在每个热电单元5中，热侧贴靠在相应管道7的热交换壁10上并且冷侧贴靠在相应冷却元件11的热交换壁12上。
换言之，两个供给元件6的管道7与三个冷却元件11交替，使得管道7的每个交换壁10面对冷却元件11的相应热交换壁12。热电单元5插入在管道7的每个热交换壁10与冷却元件11的相应热交换壁12之间(热电单元5的热侧贴靠在管道7的热交换壁10上并且热电单元5的冷侧贴靠在冷却元件11的热交换壁12上)。
根据一个优选实施例，热电发电机1包括固定系统13(在图5、图6和图7中更好地示出)，所述固定系统13以夹紧方式锁定供给元件6、冷却元件11和热电单元5。具体地，固定系统13包括下部板14、上部板14和至少一对连杆15，连杆15垂直于板14并连接板14。
根据一个优选但非限制性的实施例，石墨片材(或其他类似材料)插入在每个热电单元5的侧面和相应的热交换壁10和12之间，石墨是导热的且易于变形的材料(即“柔软的”材料)。每个石墨片材的功能是改善热电单元5的一侧与相应的热交换壁10或12之间的接触(即增加接触表面)以增加热交换，从而均匀地填充任何可能的表面不规则性。
如图5-8中所示，热电发电机1包括冷却系统，冷却系统又包括：冷却元件11，冷却元件11可由冷却流体(通常为水，可能添加有添加剂)流过；输送管16，其布置在管道7的旁边并且液压地连接到每个冷却元件11以用于将冷却流体朝向冷却元件11传送；以及回流管17，其在相对于输送管16的相对侧上布置在管道7的旁边并且液压地连接到每个冷却元件11以接收来自冷却元件11的冷却流体。优选地，输送管16和回流管17通过每个冷却元件11；也就是说，输送管16和回流管17是穿过每个冷却元件11的贯穿管。
如在图3和图4中更好地示出的那样，每个供给元件6具有前壁18，该前壁18刚性地与管道7成一体、垂直于管道7(即垂直于供给方向)和热交换壁10，并且具有中央入口开口8。此外，每个供给元件6具有后壁19，该后壁19刚性地与管道7成一体、垂直于管道7(即垂直于供给方向)和热交换壁10、平行于前壁18且与前壁18相对，并且具有中央出口开口9。基本上并且如图4中所示，每个供给元件6具有“h”形状，其中前壁18和后壁19构成两根杆，并且管道7构成两根杆之间的连接部分。
根据图4中更好地示出的优选实施例，当两个供给元件6叠加时，上部供给元件6的后壁19的下边缘和下部供给元件6的前壁18的上边缘外展以提供机械互锁。更通常而言，当两个供给元件6叠加时，每个供给元件6的前壁18的或后壁19的上边缘或下边缘外展以提供机械互锁。
具体地，上部供给元件6的后壁19和下部供给元件6的前壁18各自都具有利用s形变形而形成的凹部20。此外，在上部供给元件6中，前壁18具有比后壁19更小的高度，并且在下部供给元件6中，后壁19具有比前壁18更小的高度。换言之，上部供给元件6与下部供给元件6完全相同，但是具有相反的定向(即“倒置”)，使得凹部20在两个前壁18之间布置，而另一个凹部20布置在两个后壁19之间。
两个供给元件6的前壁18接收入口管2，该入口管2朝向两个入口开口8输送排出气体，并且两个供给元件6的后壁19接收出口管3，该出口管3接收来自两个出口开口9的排出气体。
如图1和图2中所示，热电发电机1包括环形面板21，该环形面板21垂直于供给元件6的前壁18和后壁19定向，并且连接到供给元件6的前壁18和后壁19，并且与供给元件6的前壁18和后壁19一起限定封闭容积。换言之，容纳所述管道7、热电单元5和冷却元件11的外壳4由供给元件6的前壁18和后壁19以及连接供给元件6的前壁18和后壁19的环形面板21形成。
在图1-9中所示的实施例中，每个供给元件6包括在供给元件6的整个宽度上延伸的单个管道7。在图10-13中所示的变型中，每个供给元件6包括多个平行的、相邻的和分离的管道7(特别是三个平行的、相邻的和分开的管道7)，每个管道从相应的入口开口8延伸到相应的出口开口9(因此每个供给元件6的前壁18具有三个入口开口8并且每个供给元件6的后壁19具有三个相邻的出口开口9)。多个管道7的存在允许将固定系统13的另一中间连杆15插入在两个相邻的管道7之间(即插入在两个相邻的管道7之间的自由间隙中)。以这种方式，固定系统13不只包括两个端部连杆15(如在图1-9中所示的实施例中那样)，而且还可以包括中间连杆15(图10中所示)，其允许沿着整个长度施加更均匀的压力(当压力更均匀时，也可能增加总压力，其分布更好，不会过度地压迫一些有限区域，否则可能会塌陷)。换言之，为了使热电单元5承受更大和更均匀的压力，排出气体流过其的管道7被分成几个单独的部分(至少两个)，从而能够沿着平行和相邻的管道7之间的供给元件6的宽度插入中间连杆15。板14具有断口(或之字形)形状以连接所有连杆15。
图1至图9中所示的实施例提供了两个叠加的供给元件6(支撑总共两个管道7)，与两个供给元件6交替的三个冷却元件11和十二个热电单元5，每个热电单元5插入在供给元件6的相应管道7和相应的冷却元件11之间。如图6中更好地示出的那样，十二个热电单元5分成四组，每组由三个相邻的热电单元5构成。图10-13中所示的实施例提供了两个叠加的供给元件6(支撑总共六个管道7)，与两个供给元件6交替的三个冷却元件11和二十四个热电单元5，每个热电单元5插入在供给元件6的相应管道7和相应的冷却元件11之间。如图13中更好地示出的那样，二十四个热电单元5被分成四组(在图13中仅可见其中一组)，每组由六个相邻的热电单元5构成。根据其他且完全等同的实施例，提供了不同数量的部件：例如，可以提供一个/两个/三个/四个供给元件6(因此可以提供一个/两个/三个/四个管道7)，两个/三个/四个/五个冷却元件11以及从几个到几十个热电单元5，每个热电单元5插入在供给元件6的相应管道7和相应的冷却元件11之间。
上述热电发电机1具有许多优点。
首先，上述热电发电机1允许在产生电能方面实现高的能量效率，因为其允许从流过管道7的排出气体到热电单元5的热侧的非常高的热传递。
此外，上述热电发电机1容易地且廉价地制造，因为其具有模块化结构，该模块化结构允许以非常简单的方式选择要使用的热电单元5的数量(因此改变供给元件6的数量和冷却元件11的数量)。
在上述热电发电机1中，热电单元5与排出气体完全隔离，即它们不与排出气体接触，从而保持热电单元5的完整性。事实上，排出气体直接接触热单元5可通过热侵蚀(排出气体可具有高于可由热电单元5所能容忍的最高温度的温度)和通过化学侵蚀(特别是由于高温所促成的氧化)而损坏热电单元5。
最后，由于部件(即供给元件6的壁18和19)以明显的优化执行更多功能，所以上述热电发电机1特别紧凑且轻便。具体地，供给元件6的壁18和19执行支撑管道7的结构功能、执行为入口管2和出口管3提供稳定且坚固的锚定的功能、执行界定外壳4的功能、由于它们防止排出气体到达热电单元5而执行保护热电单元5免受排出气体影响的功能，并且执行将由排出气体所拥有的部分热量引导到管道7然后朝向热电单元5引导的功能(换言之，管道7由沿着管道7流动的排出气体直接加热，并且通过将热量传递给壁18和19的排出气体间接加热，这又将热量传递到管道7)。