CN102388214A - 用于热隔离发动机或发动机部件的结构件，尤其用于内燃机的隔热屏 - Google Patents

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CN102388214A CN2010800107954A CN201080010795A CN102388214A CN 102388214 A CN102388214 A CN 102388214A CN 2010800107954 A CN2010800107954 A CN 2010800107954A CN 201080010795 A CN201080010795 A CN 201080010795A CN 102388214 A CN102388214 A CN 102388214A
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Abstract

本发明涉及一种用于热隔离发动机或发动机部件的结构件(1；101)，尤其一种用于内燃机的隔热屏，其中，结构件(1；101)具有平整的延伸部并且具有面向发动机的热的构件的第一侧面(10；110)，并具有背向发动机的热的构件的第二侧面(12；112)，其特征在于，结构件(1；101)具有热电的发电机(20；120)，利用发电机(20；120)，可从在发动机的运行中所产生的在结构件(1；101)的第一侧面(10；101)与第二侧面(12；102)之间的温差产生电能。

Description

用于热隔离发动机或发动机部件的结构件,尤其用于内燃机的隔热屏
技术领域
本发明涉及一种用于热隔离发动机或发动机部件的结构件(Strukturbauteil)，尤其一种用于内燃机的隔热屏(Hitzeschild)，其中，该结构件具有平整的延伸部(Ausdehnung)并且具有第一侧面(其面向发动机的热的构件)，并具有第二侧面(其背向发动机的热的构件)。
背景技术
例如车辆中的热管理和因此还对于热的和声的隔离系统的要求是复杂的，这是因为现代的发动机在空间供应越来越小的情况下以越来越高的功率密度突出。诸如车辆设计、空气阻力和用于乘客安全的系统这些因素规定了供使用的空间。同时，必须考虑构件的提升的数量，例如由于对废气质量的更高的要求、由于对用于发动机控制和辅件控制的电子部件的更高的需求，并且也因为在舒适性方面的最终用户的期望。通过受限的空间供应，阻碍了对于运走热量所必需的冷却空气循环。大部分部件因此必须被保护免受过高的温度。
隔离件的首要的功能在于保护对温度敏感的构件。车辆中的热源例如为引导废气的零件，如排气歧管、涡轮增压器、催化器、碳烟颗粒燃烧系统等。大多数情况，隔离件和隔热屏涉及三维的、自由形状平面构件，其也可被称作结构件。隔离件一方面应尽可能接近地放置在热源处，以便保护环境免受在运行中产生的热能，目前应是通过辐射或通过对流。通过已知的隔热屏，热量被隔离，其中在隔热的同时也可引起隔音。
由文件DE 10 2007 005 520 A1已知一种带有热电的发电机的车辆，发电机具有与发出热量的部件热联结的接收热量的元件并且其从在接收热量的元件与热沉(Waermesenke)之间的温度梯度来产生电能。热电的发电机在此直接地布置在发出热量的部件处，并且导热地与它相连接。
由文件DE 10 2007 035 931 A1已知一种用于热电的发电机的布置，其包括高温侧的底板和低温侧的底板，其带有布置在底板之间的半导体阵列，其中，低温侧的和高温侧的底板具有大致二维的尺寸，并且其中，高温侧的底板可材料接合地(stoffschluessig)与热的表面相连接，并且/或者低温侧的底板可材料接合地与冷的表面相连接。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构件，尤其一种用于发动机的隔热屏，其具有放大的功能范围。在本发明的一个实施类型中，被隔离的热量应被用于能量的回收。
该目的通过在权利要求1中确定的结构件来实现。本发明的特别的实施类型在从属权利要求中确定。
在一个实施类型中，结构件具有热电的发电机，利用发电机，可从在发动机运行中所产生的在结构件的第一侧面与第二侧面之间的温差产生电能。优选地，电能可直接地由温差并且尤其在没有运动的或旋转的零件的情况下产生。热电的发电机可布置在结构件的第一侧面与第二侧面之间，尤其直接地导热地一方面与第一侧面并且另一方面与第二侧面相连接。为了能量转换，例如可应用所谓的赛贝克效应(Seebeck-Effekt)，据此，电荷载体(Ladungstraeger)从导体或半导体的热的端部向冷的端部扩散。通过不同材料或不同地掺杂的材料、尤其不同地掺杂的半导体材料的组合，可在彼此相连接的导体副的自由端处获取电压，其取决于温差。作为用于热电的发电机的可能的材料，考虑例如碲化铋(Bi2Te3)、碲化铅(PbTe)或锗化硅(SiGe)和除此之外所有现在已知的且将来还待开发的具有足够的温差电动势(Thermokraft)的材料。
热电的发电机的热侧或冷侧与结构件的相应的第一和第二侧面的良好的热联结是有利的。倘若对于结构件使用铝作为材料，尤其单独的铝层，结构件可模制在热电的发电机处，或者热电的发电机可平整地贴靠到结构件的相应的侧面处。结构件可由带有小于1mm的厚度的薄板、尤其铝板形成，或者由多个薄板层组装，并且匹配于热电的发电机的轮廓。如果需要的话，在铝作为用于结构件的材料的情况下(例如由氧化铝制成)，可在热电的发电机的所属的贴合面(Anlageflaeche)和/或结构件的贴合面上施加有电绝缘的层。该结构件还至少局部地、优选地整面地进行阳极氧化(eloxieren)。
在一个实施类型中，热电的发电机具有第一截段和第二截段，其相应地具有第一端和第二端。这两个截段可由不同的材料或材料组合制成，并且/或者可不同地进行掺杂。对于半导体材料，两个截段可不同地进行掺杂，即以不同的方式针对性地混杂有杂质原子，尤其这种杂质原子，其被安装在晶格位置上。两个截段可由相同的材料制成，其中一截段被n-掺杂，而另一截段被p-掺杂。
两个截段的第一端可彼此电连接并且与结构件的两个侧面中的一个处于导热的连接，例如与面向发动机的热的构件的第一侧面。两个截段的第一端的电连接也可直接通过结构件自身来实现。两个截段的第二端可与结构件的两个侧面中的另一个处于导热的连接，尤其与结构件的背向发动机的热的部件的第二侧面。当在结构件的两个侧面之间存在温差时，在两个截段的第二端之间加有电压。
由热电的发电机提供的能量可输入到例如车辆的电器网络(Bordnetz)中，由此或者可直接地驱动车辆的用电器，或者电能可储存在通常在车辆中存在的电化学的蓄电池中。在两种情况中产生了发动机的燃料消耗的显著的节约。有利的是，根据本发明的结构件可成比例地大面积地接收发动机的至今被排出到环境处并因此消失的热功率，并且可转化为电能。完全封闭的发动机的开发的增长的趋势在此有利地对可产生的电能的水平产生影响。
在一个实施类型中，热电的发电机具有彼此间隔的截段，例如热电的弯管，其中，在截段之间的区域可至少部分地由热绝缘材料填充。在最简单的情况中，在此涉及到一种气体。泡沫和硅胶的使用提供了优点，即可靠地避免了湿气渗入到热电的发电机中。该湿气一方面导致了在热电的发电机的冷侧与热侧之间的提高的导热能力(其原则上是不希望的)，并且另一方面湿气还可引起腐蚀(其同样是不希望的)。优选地，绝缘材料完全平整地贴靠在热电的发电机的截段处。
在一个实施类型中，结构件为多层的，其中，第一层形成第一侧面，而第二层形成结构件的第二侧面。热电的发电机可布置在两个层之间并且与两个层处于导热的连接。第一和/或第二层可涉及薄膜或薄板。在第一层的第一平面处可贴靠有热电的发电机的热侧。第一层的面对第一平面的第二平面可面向发动机的热的构件。第二侧面的第一平面可贴靠在热电的发电机的冷侧处。第二层的面对第一平面的第二平面可背向发动机的热的构件。结构件也可具有多个层，并且多个热电的发电机可并排地布置在两层之间，或者相继地以串联(Kaskade)的形式布置。
在一个实施类型中，结构件的两个层搭接热电的发电机。在邻近热电的发电机的范围中，两个层可彼此热绝缘。尤其地，两个层在邻近热电的发电机的范围中通过热绝缘材料彼此分隔。绝缘材料也可用作隔离件(Abstandshalter)，以便必要时还吸收压力并防止热电的发电机靠近。绝缘材料也可通过硬化的塑料或通过硬化的泡沫形成。
在一个实施类型中，热电的发电机的电的连接管路至少分段地在结构件的两个层之间被引导。连接管路可通过线路(Drahtleitung)、带状薄板(Blechstreifen)或还通过施加在层上的导体电路(Leiterbahn)形成。在每个情况中，通过在结构件的层之间的布置产生连接管路的相对于由机械的或热的影响造成的损伤的保护。
在一个实施类型中，结构件的两个层中的至少一个在它的面向热电的发电机的侧面上具有用于热电的发电机的电接触的联接电极(Anschlusselektrode)和/或电的导体电路。尤其地，联接电极或导体电路可直接地施加在结构件的层中的一个上，例如以薄层技术或厚层技术压紧或喷镀，或者以其他方式施加。由此，以简单的方式也可实现联接电极彼此间的连接，而不需要热电的发电机的截段的布线。同样接触部和连接部的数目也由此减到最少。
在一个实施类型中，结构件的第一侧面至少局部地具有促进热量吸收和/或热量接收的覆层和/或表面拓扑结构。由此可确保，第一侧面接收尽可能多的热能，其接下来借助于热电的发电机可转化为电能。促进热量接收的覆层例如可通过黑色或深色的着色，尤其通过黑色的阳极氧化部来提供。此外，通过表面拓扑结构可扩大供热吸收使用的表面。替代地或补充地，防反射覆层也可被施加到表面上。
在一个实施类型中，结构件的第二侧面至少局部地具有促进热辐射和/或散热的覆层和/或表面拓扑结构。以这种方式可使第二侧面的温度减到最小并且由此借助于热电的发电机提高能量获得。促进热辐射的覆层例如可通过黑色或深色的着色，尤其通过黑色的阳极氧化部来提供。通过表面拓扑结构可扩大被提供用于散热的表面。
在一个实施类型中，结构件具有联接截段，在其处可获取由热电的发电机产生的电能。联接截段可具有至少一个平整的联接电极，其可为了与联接管路连接而设置在结构件的边缘平面处或附近。连接管路例如可以是可插的或可松开可夹紧的，使得在结构件拆卸时可以以简单的方式取消电的连接。替代地或补充地，联接例如可通过卷边、铆接或焊接来实现。在一个实施类型中，已经通过结构件的安装、尤其通过结构件的装配，热电的发电机的电极被与电器网络相连接，例如通过将热电的发电机导电地与汽车底盘连接(汽车底盘可形成参考电极或接地电极)。由此，仅还要将热电的发电机的另一电极与电器网络相连接。
在一个实施类型中，结构件具有补偿截段，借助于补偿截段，结构件的延伸部的由温度引起的变化可这样补偿，即用于紧固结构件的固定截段和/或联接截段不经受不允许地高的机械应力。出于该目的，补偿截段可具有诸如褶皱或卷边的表面结构，使得在温度感应的延伸部变化的情况中补偿截段(诸如波纹管(Faltenbalg))可变形。通过补偿截段，还可提供热电的发电机的保护而免受温度感应的机械应力。当热电的发电机由脆的材料制成时，那么这尤其是有利的。
在一个实施类型中，热电的发电机至少部分地以厚层技术或薄层技术来制造。热电的发电机的热电的截段和/或导电的连接件和/或导电的联接面可以以厚层技术或薄层技术来制造。尤其地，导电的连接件和导电的联接件可平整地施加到结构件上，例如施加到结构件的所属的层上。该施加例如通过压紧或喷镀、沉淀或者以其他方式来实现。结构件的层至少分段地形成电的联接电极和/或连接电极。在一个实施类型中，热电的发电机至少部分地在大致平坦的状态中被施加到结构件上，结构件接下来才被弯曲到它的最终的形状。
在一个实施类型中，热电的发电机至少部分地由聚合电子的热电的截段形成。替代地或补充地，至少联接管路和连接管路由聚合电子的截段形成。聚合电子的应用的优点不仅在于待制造的元件的高的形状自由度，而且主要在于比较低的热传导能力，由此热电的发电机的效率提高。热电的材料例如可以以颗粒形状引入到聚合体中，聚合体接下来被施加到结构件上，例如被压紧。
在一个实施类型中，热电的发电机通过联接到电的能量源处也可作为热泵运行。由此，处于结构件的作用范围中的发动机零件可被加温，例如从冷的状态被预热或者被保持在恒定的温度上，由此可改善发动机效率和/或废气净化。
本发明的另外的优点、特征和细节从从属权利要求和后面的说明书中得到，在其中，参考附图分别描述了多个实施例。在此，在权利要求和在说明书中提及的特征相应地各自单独或者以任意的组合是基于本发明的。
附图说明
图1显示了通过根据本发明的结构件的第一实施例的剖面，以及
图2显示了通过根据本发明的结构件的第二实施例的剖面。
具体实施方式
图1显示了通过根据本发明的用于热隔离发动机或发动机部件的结构件1的第一实施例的剖面，在用于内燃机的隔热屏的实施例中。结构件1具有平整的延伸部并且尤其还垂直于图1的图纸平面延伸。结构件1具有面向未示出的发动机的热的构件的第一侧面10和背向发动机的热的构件的第二侧面12。在此，第一侧面10由第一层14形成，而第二侧面12由第二层16形成，其中，两个层14、16由金属板形成，例如由带有在0.05与2mm之间、尤其在0.1与0.3mm之间或在0.3与0.8mm之间的厚度的铝板形成。图1和2的图示不是按比例的，尤其热电的发电机20的延伸部关于层14、16不是按比例的。
在两个层14、16之间布置有热电的发电机20，其具有第一截段22和第二截段24。两个截段22、24由半导体的热电的材料制成，例如由碲化铋(Bi2Te3)、碲化铅(PbTe)制成，并且第一截段22为p-掺杂，而第二截段24为n-掺杂。第一截段22具有第一端26，其通过连接桥30与第二截段24的第一端28电连接。在最简单的情况中连接可通过两个截段22、24在连接桥30处的力负载的贴靠来提供。连接桥30可以以厚层技术或薄层技术施加在第一层14上，或者例如借助于丝网印花(Siebdruck)来构造，或者整面地带有联接的结构。两个截段22、24也可以以厚层技术或薄层技术来施加。第一截段22和第二截段24的第一端26、28在此与第一层14处于导热的连接。
第一截段22具有第二端32，其与第二层16处于导热的连接。此外，第二端32与第一联接电极36处于电连接，第一联接电极36可以以厚层技术或薄层技术被施加在第二层16上，或者例如通过丝网印花来构造，或者整面地带有联接的结构。
以相应的方式，第二截段24的第二端34与第二联接电极38相连接。通过两个联接电极36、38(其在实施例中垂直于图1的图纸平面延伸)可制造与热电的发电机20的另一截段的和/或至车辆的电器网络的电连接。尤其地，两个联接电极36、38优选地可一体地构造连接管路，其引导至结构件1的边缘并且至在那里布置的联接区域162(图2)。
在热电的发电机20的截段22、24之间的区域被填充有电绝缘的并具有低的热的导热性的绝缘材料40，例如填充有玻璃、泡沫或硅胶。在此，绝缘材料40整面地包围两个截段22、24并且还联接到彼此相对放置的层14、16处或在连接桥30和联接电极36、38处。由此，可靠地阻止了污物、尤其湿气的渗入。
两个层14、16在侧部的方向上搭接热电的发电机20，但是也在邻近热电的发电机20的区域中保持彼此热绝缘。出于该目的，两个层14、16在邻近热电的发电机20的区域中通过热绝缘材料42彼此分隔。原则上，热电的绝缘材料42可由与在热电的发电机20的截段22、24的区域中的绝缘材料40相同的材料制成并且甚至与其一体地构造。然而在所示出的实施例中，热绝缘材料42与绝缘材料40分开并且此外充当隔离件。热绝缘材料42尤其可吸收作用到两个层14、16上的压力并且防止热电的发电机20靠近。热绝缘材料42例如可由玻璃、陶瓷或泡沫制成。也考虑应用超多孔陶瓷，其在热传导能力相对较低的情况下具有高的机械强度。
第一层14具有促进热辐射的吸收和/或热对流44的表面拓扑结构。在所示出的实施例中，它通过第一侧面10的表面的压印(Praegung)来提供，其中，压印深度46为两个相邻的极点(Maxima)的间隔48的25与200％之间，优选地为50与100％之间。替代地或补充地，在热电的发电机20的区域中，促进热量接收的覆层50至少分段地被施加到第一侧面10上，例如由铝制成的第一层14的深色的或黑色的阳极氧化部。
以相应的方式，第二层16在热电的发电机20的区域中具有促进散热52的表面拓扑结构，其在所示出的实施例中通过第二层16的压印来制造。压印深度54为两个相邻的极点的间隔56的25与200％之间，尤其为50与100％之间。第二层16的压印深度54在此可以比第一层14的压印深度46多10至100％，优选地多20至80％，以便尽管在冷的第二侧面12上有更小的温度梯度仍提供足够的散热52。替代地或补充地，在热电的发电机20的区域中，促进散热52的覆层60至少分段地被施加到第二侧面12上，在实施例中由铝制成的第二层的深色的或黑色的阳极氧化部。
图2显示了通过根据本发明的结构件101的第二实施例的剖面。在侧部的方向上与热电的发电机120相分隔地，尤其在边缘侧，结构件101具有联接截段162，在联接截段162处，可获取由热电的发电机120产生的电能。出于该目的，在联接截段162的区域中设置有平整的联接电极164、166，在所示出的实施例中在第一侧面110上的第一联接电极164和在第二侧面112上的第二电极166。后续的联接管路可与联接电极164、166连接，例如至车辆的电器网络的联接管路。
通过在第一侧面110与第二侧面112之间伸延的连接管路172，第一联接电极164与热电的发电机120相连接。第二联接电极166通过结构件101的形成第二侧面112的金属层与热电的发电机120相连接。
结构件101借助于仅示意性示出的紧固元件168例如可固定在车辆的发动机舱中，优选地可以可松开地固定。紧固元件168例如可由夹子或铆钉形成，借助于紧固元件168，结构件101可以可松开地紧固。
结构件101至少对热电的发电机120的一个侧面、在实施例中对两个侧面具有补偿截段170，其侧部地布置在热电的发电机120与紧固元件168之间。如果由于热辐射尤其在热电的发电机120的区域中在侧部的方向上形成结构件110的延伸部，则它可由在实施例中通过卷边形成的补偿截段170接收，而在热电的发电机120的区域中不出现不允许地高的机械应力。
如果需要的话也可能在紧固元件168与联接截段162之间设置有另外的补偿截段。

Claims (14)

1.一种用于热隔离发动机或发动机部件的结构件(1；101)，尤其用于内燃机的隔热屏，其中，所述结构件(1；101)具有平整的延伸部并且具有面向所述发动机的热的构件的第一侧面(10；110)，并具有背向所述发动机的热的构件的第二侧面(12；112)，其特征在于，所述结构件(1；101)具有热电的发电机(20；120)，利用所述热电的发电机(20；120)，能够从在所述发动机的运行中所产生的在所述结构件(1；101)的第一侧面(10；110)与第二侧面(12；112)之间的温差产生电能。
2.根据权利要求1所述的结构件(1；101)，其特征在于，所述热电的发电机(20；120)具有第一截段(22)和第二截段(24)，它们相应地具有第一端(26，28)和第二端(32，34)，所述两个截段(22，24)具有不同的材料或者不同的材料组合和/或不同地进行掺杂，所述两个截段(22，24)的第一端(26，28)彼此电连接并且与所述结构件(1；101)的两个侧面(10，12；110，112)中的一个处于导热的连接，并且所述两个截段(22，24)的第二端(32，34)与所述结构件(1；101)的两个侧面(10，12；110，112)中的另一个处于导热的连接。
3.根据权利要求1或2所述的结构件(1；101)，其特征在于，所述热电的发电机(20；120)具有彼此分隔的截段(22，24)，在所述截段(22，24)之间的区域至少部分地由热绝缘材料(40)填充。
4.根据权利要求1或前述权利要求中任一项所述的结构件(1；101)，其特征在于，所述结构件(1；101)为多层的，其带有形成所述第一侧面(10；110)的第一层(14)和形成所述第二侧面(12；112)的第二层(16)，并且所述热电的发电机(20；120)布置在所述两个层(14，16)之间并且与所述两个层(14，16)处于导热的连接。
5.根据权利要求4所述的结构件(1；101)，其特征在于，所述结构件(1；101)的两个层(14，16)搭接所述热电的发电机(20；120)并且在邻近所述热电的发电机(20；120)的区域中彼此热绝缘，尤其地，所述两个层(14，16)在邻近所述热电的发电机(20；120)的区域中通过热绝缘材料(42)彼此分隔。
6.根据权利要求4或5所述的结构件(1；101)，其特征在于，所述热电的发电机(20；120)的电的联接管路(172)至少分段地在所述结构件(1；101)的两个层(14，16)之间被引导。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的结构件，其特征在于，所述结构件(1；101)的两个层(14，16)中的至少一个在它的面向所述热电的发电机(20；120)的侧面上具有用于所述热电的发电机(20；120)的电接触的联接电极(36，38)和/或电的导体电路。
8.根据权利要求1或前述权利要求中任一项所述的结构件(1；101)，其特征在于，所述结构件(1；101)的第一侧面(10；110)，尤其多零件式结构件(1；101)的第一层(14)，至少局部地具有促进热吸收和/或热接收的覆层(50)和/或表面拓扑结构。
9.根据权利要求1或前述权利要求中任一项所述的结构件(1；101)，其特征在于，所述结构件(1；101)的所述第二侧面(12；112)，尤其所述多零件式结构件(1；101)的第二层(14)，至少局部地具有促进热辐射和散热的覆层(60)和/或表面拓扑结构。
10.根据权利要求1或前述权利要求中任一项所述的结构件(1；101)，其特征在于，所述结构件(1；101)具有联接截段(162)，在所述联接截段(162)处，能够获取由所述热电的发电机(20；120)产生的电能。
11.根据权利要求1或前述权利要求中任一项所述的结构件(1；101)，其特征在于，所述结构件(1；101)具有补偿截段(170)，借助于所述补偿截段(170)，所述结构件(1；101)的延伸部的由温度引起的变化能够这样补偿，即用于紧固所述结构件(1；101)的固定截段和/或联接截段(162)不经受不允许的机械应力，在所述联接截段(162)处，能够获取由所述热电的发电机(20；120)产生的电能。
12.根据权利要求1或前述权利要求中任一项所述的结构件(1；101)，其特征在于，所述热电的发电机(20；120)至少部分地以厚层技术或薄层技术来制造，尤其以厚层技术或薄层技术被平整地施加到所述结构件(1；101)上。
13.根据权利要求1或前述权利要求中任一项所述的结构件(1；101)，其特征在于，所述热电的发电机(20；120)至少部分地通过聚合电子的热电的截段形成。
14.根据权利要求1或前述权利要求中任一项所述的结构件(1；101)，其特征在于，所述热电的发电机(20；120)通过联接到电的能量源也能够作为热泵运行。
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