CN102220948B - 传热设备及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传热设备（1），其更优选地用于优选为汽车的内燃机（6）的排气系统（5）中，其具有至少一个用于传导排热流体的暖管（2），至少一个用于传导吸热流体的冷管（3）和至少一个用于由温差产生电能的热电发电器（4），其中每个热电发电器（4）均设置在暖管（2）和冷管（3）之间。如果各个热电发电器（4）通过热导材料（16）与各个管（2、3）相接触并且各个热导材料（16）被配置为成形的主体（17），那么传热设备（1）的效能会提高。

Description

传热设备及其制造方法
技术领域
本发明涉及传热设备，其优选地用于内燃机、特别是汽车的内燃机的排气系统。此外，本发明涉及用于这种传热设备的装配的方法。
技术背景
传热设备通常包括至少一个用于传导含热或排热流体的暖管和至少一个用于传导吸热流体的冷管。这些管以传热的方式彼此耦合，从而来自暖管流体的热量可以被传送到冷管流体。
这里，原则上可能在暖管和冷管之间设置一热电发电器，在该热电发电器的帮助下，可以由热流或温差产生电能。这种热电发电器相当于珀耳帖元件。通过珀耳帖元件，或热电发电器（其也被称为TEG），利用珀耳帖效应，由电压差产生热流。与该珀耳帖效应对应的是塞贝克效应，其由温度差产生电流。此外，可通过TEG或珀耳帖元件利用不同能级的半导体。
由于通常在内燃机的废气中存在大量的余热，通过使用这种具有至少一个集成的TEG的传热设备，可以以热和电流的形式回收能量。该能量随后可在内燃机或装备有这种内燃机的汽车上的其他地方被利用，以提高各个系统的整体效能。
发明内容
本发明涉及这样的问题，即提供了这样的传热设备的改进的或者至少是另外的具体实施方式，或相关的制造方法的具体实施方式，更优选地，其特征在于传热设备的提高的效能和通过传热设备的简化制造。
根据本发明，该问题通过独立权利要求中的主题解决。有利的具体实施方式是从属权利要求中的主题。
本发明基于这样的一般理念，即在各个TEG和各个管之间设置导热材料，该导热材料提高了各个TEG和各个管之间的热传导。提高的热传导增加了热流并且最终增加了各个TEG的暖侧和冷侧之间的温差。由于根据温差，在各个TEG的帮助下可以产生电流，所以增加的温差导致了增加的电流产生。
特别优选的是这样一个特别的具体实施方式，其中各个导热材料被配置为成形的主体。应用这种由导热材料制备的成形的主体，使得导热材料一方面对各个管、另一方面对各个TEG均有改进的几何适应性。改进的几何适应性导致了大面积的更优选地连续的接触，其提高了传热。另一方面，由于其成形加工，成形的主体可用于将各个TEG相对于各个管定位，反之亦然，在制造期间，即在传热设备的装配期间，这是特别有利的。例如，在这些成形的主体的帮助下，多个冷管、暖管和热电发电器可被更容易地堆叠在彼此的顶部，这简化了在生产过程期间单个组件的处理。
除此之外，显示了通过使用这种成形的主体，能够选择定位于单个组件的堆叠方向中的相对高的接触压力。一方面，成形的主体对各个管和各个TEG的几何适应性导致了均匀的表面压力，其均匀化并因此减少了单个组件的载荷。另一方面，在成形的主体帮助下的单个组件相对于另一个的改进的定位或布置，确保了即使具有增加的接触压力时的稳定复合物，其更优选地——取决于构造——具有增加的接触压力时甚至会变得更稳定。
特别有利的是这样一个具体的实施方式，其中，在各自的成形的主体的帮助下，各个TEG被定位在各个管上。因此，该设计提高了各个成形的主体的固定效果或保持效果。例如，这可以通过各自的成形的主体一方面对各个TEG、另一方面对各个管的的相应的互补成形加工来实现。
根据另一个有利的具体实施方式，至少一个凸起或凹穴可形成于各个成形的主体上，该成形的主体可以和与其互补的形成于各个TEG或各个管上的凹穴或凸起相互作用。例如，这种凸起可以珠子的形式线性形成或以突出的形式被聚集。与其互补的凹穴随后作为与其配套的珠子或突出形成。这里，清楚的是可以结合任何数量的珠子和突出。同样地，可存在不同尺寸的珠子或突出。
通过使用这种彼此特别啮合的相互作用的凸起和凹穴，可以实现各个成形的主体和各个TEG或各个管之间的确定的定位。这里，确定的定位表现为横切位于彼此顶部上的组件的堆叠方向。
该各个凸起或凹穴，或者由多个凸起或凹穴组成的凸起布置或凹穴布置，可横向地围绕各个TEG或由多个TEG元件形成的TEG的至少一个热电发电器元件。因此，可在所有方向上实现TEG的确定定位横切堆叠方向。
根据另一个有利的具体实施方式，各个成形的主体可具有边缘，该边缘至少部分地横向围绕各个TEG或至少一个TEG元件。在这种边缘的帮助下，各个TEG或各个管上的各个成形的主体的有效的确定定位也可以横切堆叠方向实现。
通过另一具体实施方式，提供至少一个框架，作为横向地围绕各个TEG的另一组件。特别地，在由彼此相邻设置的多个TEG元件组成TEG的情况下，这种框架简化了在装配期间和在完成的传热设备中的TEG的定位和处理。
根据另一有利的改进，各个成形的主体可被支撑在各个框架上，因此可以获得传热设备结构中的额外的稳定性。
在各个成形的主体中整合电气线路用于与各个TEG或各个TEG元件的电气接触是特别实用的。因此，各个成形的主体接受一额外的功能，该功能简化了在传热设备中的各个TEG的电气接触。特别地，在传热单元中的额外的电气线路的安装可以省略。
各个成形的主体在尺寸上可以是稳定的和/或有弹性的。其可以被粘合到各个管或各个TEG。形成成形的主体的导热材料可以电绝缘的形式设计。此外，如果导热材料是由复合材料制备的，其可包括作为基础材料的石墨。同样地，导热材料完全可由石墨构成。
本发明的其他重要特征和优势可由从属权利要求、附图、根据附图的对应的附图说明获得。
应当理解的是，上面描述并且接下来还要解释的特征不仅仅是用于陈述的各个组合中，也可以用于其它组合中，或只是其本身，而不脱离本发明的范围。
附图说明
本发明的优选的典型的具体实施方式在附图中示出并在下面的描述中更详细地解释，其中，相同的附图标记指代相同的或相似的或功能上相同的组件。
在每种情况下，其示意性地示出：
图1 传热设备的横截面，
图2 热电发电器的区域中的热交换器的横截面，
图3 热电发电器的细节的俯视图，
图4 具有框架的热电发电器的透视图。
具体实施方式
根据图1，横截面中示出的传热设备1包括至少一个暖管2和至少一个冷管3。实施例中示出的传热设备1包括三个暖管2和四个冷管3。在热交换器1的操作期间，暖管2用于传导含热或散热的流体，而在传热设备1的操作期间，冷管3用于传导吸热的流体。
此外，这里示出的传热设备1包括至少一个热电发电器4，其在下面也称为TEG4。在实施例中，提供了6个这种TEG4。各个TEG4用于由温差或热流产生电能或电流。为此，在每种情况下，各个TEG4设置在暖管2和冷管3之间。
例如，传热设备1可被结合在图1左侧示出的内燃机6的排气系统5中，内燃机6更优选地可被设置在汽车中。例如，根据流入箭头7，排气系统5可将内燃机6的热的废气传导到传热设备1，其中，其流过暖管2。根据返回箭头8，冷却的废气（如果是可应用的）从传热设备1的暖管2返回并且在排气系统5中继续其路径。内燃机6额外地包括一新鲜空气系统9并可配备一个冷却回路10。例如，传热设备1也可结合在该冷却回路10中。根据前进箭头11，液体冷却剂可被传导至传热设备1的冷管3。根据返回箭头12，加热的冷却剂（如果是可应用的）可从传热设备1的冷管3中返回至冷却回路10内。因此，例如，在内燃机6的冷却启动期间和/或在较低的环境温度下，将热引入冷却回路中以将内燃机6升高至操作温度或保持在操作温度是可能的。此外或可替代地，具有冷管3的传热设备1也可结合在任意其它冷却回路中或加热回路中，例如用于加热汽车的乘客舱的加热回路。
TEG4可被电气地连接至内燃机6的或配备有内燃机6的车辆的电消耗品上。在这种情况中，对应的电气连接线路被指定为14。电消耗品13可包括变压器和控制元件，例如，为了将在TEG4的帮助下产生的电能供给至汽车电池内。
在传热设备1的操作期间，根据箭头5，在暖管2和冷管3之间确立的温差导致了从暖管2到冷管3的热流，其中，各个热流15经过设置在它们之间的TEG4。该热流15或暖管线2和冷管线3之间的潜在温差导致了各个TEG4中的电压，该电压可以电流的形式流出。为了提高热流15，各个TEG4通过导热材料16与各个管2、3相接触。各个导热材料16与这里呈现的传热设备1一起被设计为成形的主体17。
根据图2和3，各个成形的主体17可被这样配置，从而其可将相应的TEG4定位在各个管2或3上。在这种情况下，该定位实现为横切通过双箭头在图1和2中示出的堆叠方向18，其中，单个的管2、3和TEG4以及成形的主体17堆叠在彼此的顶部或者在传热设备1内被设置在彼此的顶部。
为了实现该定位的功能，根据图2和3，至少一个凸起19形成在各自的成形的主体17上，而与其互补地，在相应的TEG4上或（如在实施例中所示）在管2或3上形成匹配所述凸起的凹穴20。凸起19在对应的凹穴20中确定地啮合，也就是在堆叠方向18上，因此，可以实现所需要的横切堆叠方向18的确定定位。例如，各个凸起19可以线性地实现，例如穿过珠子。同样地，能够以集中的方式设计各个凸起19，例如作为突出。显而易见的是，原则上可以提供任意组合的珠子和突出，以便配置凸起布置21。之后，相同的也适用于互补形成的凹穴20，从而其可被形成为配套的珠子或配套的突出并且形成任意组合中的凹穴布置22。
尽管在图2所示的具体实施方式中，凸起19形成于成形的主体17上并且匹配所述凸起的凹穴20形成于各个管2或3上，可以提供另一具体实施方式，使得凹穴20形成于各个成形的主体17上，而匹配所述凹穴的凸起19之后形成于各个TEG4上的各个管2或3上。同样地，可以想到，成形的主体17上的凹穴20和凸起19与各个管2或3或各个TEG4上的对应的凹穴20或凸起19协同作用的组合。
在如图3所示的情况下，提供了由多个凸起19组成的凸起布置21和/或由多个凹穴20组成的凹穴布置22，各个凸起布置21或凹穴布置可以这样设置，从而其横向地（即横切堆叠方向18）围绕各个热电发电器4。此外或可替代地，可以设置各个凸起布置21或各个凹穴布置横向地围绕在下面也被命名为TEG元件的热电发电器元件23。一个TEG4可由多个这样的TEG元件23形成。例如，图4示出了一具体实施方式，其中，单个的TEG4由总数为12个的TEG元件23构成。在这种情况下，单个的TEG元件23彼此在一条线上相邻，横切堆叠方向18。其数量可由传热设备1中使用的管2或3的长度来确定。
为了阐述凸起布置21 或凹穴布置22的构造，成形的主体17未在图3中示出。
根据图2，成形的主体17包括一边缘24，该边缘在堆叠方向18上远离剩余的成形的主体17。在这种情况下，该边缘24是这样定位的，从而其至少部分地横向围绕各个TEG4或至少一个TEG元件23。在图2的实施例中，边缘24在两个相对的纵向侧上围绕TEG4或TEG元件23。所述边缘24额外地或可替代地被提供给凸起19或凹穴20。在该实施例中，边缘24导致了TEG4或各个TEG元件23相对于成形的主体17的横向定位，而彼此相互作用的凸起19和凹穴20则导致了各个管2和3相对于成形的主体17的定位。
根据图4，除了管2、3和TEG4之外，在传热设备1中提供至少一个框架25。事实上，在这种情况中，为每个TEG4提供了一个这种框架25。因此，图1示出了总数为6个的这种框架25。各个框架25形成一横向的包围，该包围为了各个TEG4被定向为横切堆叠方向18。明显地，根据图4，各个TEG4的所有TEG元件23都被连续地彼此相邻地设置在各个框架25内。这为TEG或其TEG元件23产生了通过箭头26在图4中所示的定位效果，该定位效果被定向横切堆叠方向18并且横切管2、3的纵向方向，从而横切各个管2、3中的各个液体的流动方向。
各个成形的主体17现在可根据实际的构造配置，从而在装配状态时其可被支撑在各个框架25上。因此，各个TEG4横切堆叠方向18的定位可以在各个成形的主体17的帮助下、通过框架25的定位间接实现。例如，成形的主体17上设置凸起19或凹穴20，其可与随后在框架25上形成的与其互补的凹穴20或凸起19啮合。
根据图2，电气线路27可被整合在成形的主体17中，该成形的主体以合适的方式使得各个TEG4或各个TEG元件23 的电气接触成为可能。例如，为了实现各个TEG4，各个TEG4的单个TEG元件23在电学上必须是串联的或并联的。TEG元件23 的各个开关随后可通过线路27实现。因此，成形的主体接受了一重要的额外功能，即TEG元件23的电气开关。此外，在传热设备1中的单个的TEG4的电气开关也可在整合在成形的主体17中的线路27的帮助下被基本上简化。
成形的主体事实上被设计为尺寸上稳定的，因此，在成形的主体17的帮助下，能够在传热设备的装配范围内牢固地堆叠多个管2、3和TEG4。此外，成形的主体可被配置为弹性的，因此，一旦受到平行于堆叠方向18的压缩时，其可弹性地屈服（yield）直到其可抱紧管2、3和TEG4的外部轮廓，从而可以实现高位值的区域接触。各个成形的主体17可被粘合至各个管2、3。额外地或可替代地，各个成形的主体17可被粘合至各个TEG4或其TEG元件23。这种粘合可以简化装配期间的处理。
各个成形的主体17在其面向各个TEG4的一侧成形为与面向成形的主体17的各个TEG的该侧互补。此外或可替代地，各个成形的主体17在其面向各个管2、3的一侧成形为与面向成形的主体17的各个管2、3的该侧互补。互补的成形加工简化了提高传热的大面积的接触。
根据优选的具体实施方式，用于制备成形的主体17的导热材料16可以是电绝缘的。导热材料16可以是增强纤维。例如，其可以包含玻璃纤维或石墨纤维。此外，导热材料16可以是包括多种材料的复合材料。例如，石墨可用作该复合物的基础材料。同样地，能够仅仅或完全由石墨制备导热材料16。
根据图1，管2、3，成形的主体17和TEG4在堆叠方向18上形成堆叠28。现在优选的是一具体实施方式，其中，堆叠28的单个组件，即堆叠28中的管2、3，TEG4和成形的主体17通过预加载力29相对彼此被预加载，该预加载力通过图1中的箭头示出。该预加载力29平行于堆叠方向18而起作用。
根据图1的传热设备1包括具有两个壳体部分31和32的壳体30。在图1中，壶形的或横截面积为U形的上壳体部分31和壶形的或横截面积为U形的下壳体部分32是显而易见的。根据箭头33，这两个壳体部分31、32被插入彼此之中。该插入方向33平行于堆叠方向18。堆叠28被设置在壳体30，即两个壳体部分31、32中。预加载力通过壳体部分31、32被施加在堆叠28上。
通过如图1所示的具体实施方式，冷管的尺寸设计为使得其横向地接触横切直流方向和横切堆叠方向18的壳体30。在这种情况下，框架25的尺寸也被这样设计，从而其横向地接触横切直流方向和横切堆叠方向18的壳体30。与此形成对比，在这种情况下，暖管2的尺寸也被这样设计，从而其与横切直流方向和横切堆叠方向18的壳体30隔开。在这种情况下，显而易见的是各个暖管2和壳体30之间存在一间隙34。在该间隙34的帮助下，可以避免壳体30中在热交换器1的操作期间，由于暖管2的热膨胀产生的热感应应力。
这里所介绍的传热设备1可根据以下有利的制造方法进行装配：
首先，各个管2、3和各个TEG4堆叠在彼此的顶部，同时成形的主体17设置在它们之间，从而建立堆叠28。该堆叠28被容纳在壳体30中。这里，原则上能够在壳体30或在壳体部分31、32中的至少一个中构造堆叠28。
在将堆叠28容纳在壳体30之后，壳体部分31、32被预加载在堆叠方向18上，从而在堆叠28中产生预加载力29。在该预加载状态中，壳体部分31、32 之间的相对位置是固定的。例如，该定位固定可通过至少一个围绕壳体部分31、32的夹板实现。此外或可替代地，在连接的帮之下，同样地能够实现该定位固定，该连接将两个壳体部分31、32在其相对位置彼此固定。例如，壳体部分31、32可被焊接在一起。

Claims (10)

1.一种用于汽车的内燃机（6）的排气系统（5）的传热设备，其具有
-至少一个用于传导排热流体的暖管（2），
-至少一个用于传导吸热流体的冷管（3），
-至少一个用于通过温差产生电能的热电发电器（4），其中每个热电发电器（4）均设置在暖管（2）和冷管（3）之间，
-其中，各个热电发电器（4）通过导热材料（16）与各个管（2、3）相接触，
-其中，各个导热材料（16）被配置为成形的主体（17），
-其中，各个成形的主体（17）包括边缘（24），该边缘至少部分地横向围绕各个热电发电器（4）或由多个热电发电器元件（23）形成的热电发电器（4）的至少一个热电发电器元件（23）。
2.根据权利要求1所述的传热设备，其特征在于，在各个成形的主体（17）的帮助下，热电发电器（4）被定位在各个管（2、3）上。
3.根据权利要求1或2所述的传热设备，其特征在于，至少一个珠子或突出的形式的凸起（19）或凹穴（20）形成于各个成形的主体（17）上，该珠子或突出的形式的凸起（19）或凹穴（20）可以和与其互补的形成于各个热电发电器（4）或各个管（2、3）上的凹穴（20）或珠子或突出的形式的凸起（19）相互作用。
4.根据权利要求3所述的传热设备，其特征在于，各个凸起（19）或凹穴（20），或者由多个凸起（19）或凹穴（20）组成的凸起布置（21）或凹穴布置（22）横向地围绕各个热电发电器（4）或由多个热电发电器元件（23）形成的热电发电器（4）的至少一个热电发电器元件（23）。
5.根据权利要求1所述的传热设备，其特征在于，提供至少一个横向地围绕各个热电发电器（4）的框架（25），其中，各个成形的主体（17）可被支撑在各个框架（25）上。
6.根据权利要求1的传热设备，其特征在于，在各个成形的主体（17）中，整合用于与各个热电发电器（4）和/或由多个热电发电器元件（23）形成的热电发电器（4）的热电发电器元件（23）电气接触的电气线路（27）。
7.根据权利要求1所述的传热设备，其特征在于，
-各个成形的主体（17）被配置为尺寸上是稳定的、被配置为有弹性的、和/或被粘合到各个管（2、3）或各个热电发电器（4），
-导热材料（16）是电绝缘的，和/或
-导热材料（16）是增强纤维，和/或
-导热材料（16）包括作为基础材料的石墨，或完全由石墨构成。
8.根据权利要求1所述的传热设备，其特征在于，
-各个管（2、3），各个成形的主体（17）和各个热电发电器（4）在堆叠方向（18）上被堆叠并形成堆叠（28），其中，使用预加载力（29）将它们相对彼此在堆叠方向（18）上夹紧，
-其中，提供了其中设置各个堆叠（28）的壳体（30），其包括两个插入彼此中的壳体部分（31、32），预加载力（29）通过壳体部分（31、32）被施加在相应的堆叠（28）上。
9.根据权利要求1所述的传热设备，其特征在于，
-各个横切直流方向的冷管（3）横向地接触传热设备（1）的壳体（30），和/或
-各个横切直流方向的框架（25）横向地接触传热设备（1）的壳体（30），和/或
-各个横切直流方向的暖管（2）横向地与传热设备（1）的壳体（30）隔开。
10.一种用于装配根据权利要求1-9任一项所述的传热设备（1）的方法，
-其中，各个管（2、3）和各个热电发电器（4）堆叠在彼此的顶部，同时成形的主体（17）设置在它们之间，从而建立堆叠（28），
-其中，该堆叠（28）被容纳在壳体（30）中，
-其中，堆叠（28）被构造在壳体（30）或在一壳体部分（31、32）中，
-其中，被预加载在堆叠（28）的堆叠方向(18)上的壳体部分（31、32）可选地是可插入彼此中的。
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