CN102714271A - 用于从导热材料中产生电能的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生电能的装置(1)，包括至少一个具有至少一个凸起(3)的受热的导热主体(2)和侧向地连接于至少一个凸起(3)的热电元件(4)，每个热电元件(4)的热电效率与至少一个凸起(3)的热容相互匹配。

Description

用于从导热材料中产生电能的装置

技术领域

本发明涉及用于从热能产生电能的装置，其具有导热材料。这种装置例如为热电发生器，可用于机动车的内燃机废气系统中。

背景技术

在移动内燃机、例如汽油机或柴油机的废气处理中，目前尝试以当将废气排放到环境中时其几乎已经被完全净化了的方式来处理废气。也尝试将任何形式的不使用的排放能量转换成可使用形式的能源。

来自机动车发动机的废气具有热能，其可通过热接触传递到导热材料并通过热电发生器转换成电能，以便例如给蓄电池或其他电能存储装置充电和/或直接给电能消耗器供给所要求的电能。这样，能够获得用于操作机动车的较大量的电能。

这种热电发生器通常具有多个热电转换元件。用于此的热电材料为可有效地将热能转换成电能（赛贝克效应）和相反（珀尔帖效应）的类型。“塞贝克效应”是基于热能到电能的转化的现象，并且用于产生热电能。“珀尔贴效应”是“塞贝克效应”的逆过程，是伴随热吸收的现象，并且其由流过不同材料的电流而产生。已经提出将珀尔帖效应例如用于热电冷却。

这种热电转换元件优选地具有多个热电元件，其布置在称为“热端”和称为“冷端”之间。热电元件包括例如至少2个半导体块体（p和n掺杂），所述半导体块体在其上部侧和下部侧（朝向“热端”和“冷端”）交替地连接于导电桥。陶瓷片体或陶瓷涂层和/或类似的材料用于绝缘金属桥，并且因此优选地布置在金属桥之间。如果在半导体块体的两侧上提供温度梯度，则会形成电压。在这种情况中，在一个接触点（“热端”）吸收热，电子从一侧转移到下一块体的高能导带。在另一侧上，电子释放能量，以返回到处于较低能量水平的另一侧（“冷端”）。因此，在给定相应的温度梯度时可产生电流。

已经知道可在机动车、特别是客用机动车中使用相应的热电发生器，其中将热电发生器插入到废气流中，热能通过热辐射而传送。但是，下面的讨论集中于在固态热传导表面上使用热电发生器并通过热传导来传送热能。但是到目前为止，从这种热源中产生电能的效率还不够。

发明内容

因此，本发明的目的是至少部分地解决相对于现有技术所描述的问题。特别是寻求提供一种热电发生器，其允许以改进的效率来将可获得的热能转换成电能有，并且也特别适合于（稳态的）连续操作，以及适合于从导热材料中取得热能。

通过根据权利要求1的特征的装置实现了这些目的。在从属权利要求中说明了根据本发明的装置的有利的改进。应注意地是，在权利要求中单独说明的特征可以任何技术上可行的方式相结合并且显示了本发明的其他改进。说明书，特别是结合附图进一步解释了本发明并且说明了本发明额外的示例性实施方案。

根据本发明的用于产生电能的装置包括至少一个带有至少一个凸起的受热的导热主体，以及侧向地连接于至少一个凸起的热电元件，每个热电元件的热电效率和至少一个凸起所输送的热输出相互匹配。

这种装置尤其是称为热电发生器。受热主体例如可由废气管路、内燃机的一部分或一些其他金属体形成。也可以使用其他的导热材料。优选使用具有高热容的固体。

可通过火焰、废气流、电加热器、水和/或一些其他热源来提供对主体的加热。特别是对主体进行间歇式加热，并且由于其热容，主体会通过相对侧均匀地输送热。例如，可将凸起认为是具有例如与加热装置相反地从受热主体中凸出的针形。优选地形成多个凸起，以增加材料的表面积并且因此连接较多数量的热电元件。在这一方面，“连接”意味着系紧、粘合、熔接、焊接等，或在凸起的至少50%的表面积上、优选地在凸起的至少80%的表面积上、特别优选地在凸起的至少95%的表面积上均匀分布。因此，热电元件以其直接热接触的方式连接于凸起上。因此，受热主体形成了热电元件的热端和冷端之间的间隔，凸起在冷端方向中延伸。每个凸起通常具有底部、顶部或前部和周向表面。在这一方面，侧向意味着热电元件连接于底部和顶部或前部之间的周向表面上，并且平行于该表面和/或与其成一定角度地延伸。

特别是，主体为辅助加热装置（预加热装置、停车加热装置）的加热体，使得布置在主体上的凸起伸入到辅助加热装置的水循环中。辅助加热装置特别适合用于机动车中，并且通过预加热冷却水而间接地带走内燃机的热量，使得可避免由冷启动导致的损坏。此外，这种辅助加热装置也使得能够加热机动车的乘客舱。在这种情况中，通过辅助加热装置的水循环形成了热电发生器的冷端，使得设置在凸起上的热电元件布置在热端（辅助加热装置的主体或加热体）和冷端（冷却水）之间。

凸起尤其是在底部和顶部之间延伸最多40mm[毫米]的长度，特别是最多20mm。通过在主体上布置多个凸起，其优选地具有每平方厘米最多一个凸起的密度（1个凸起/cm²）。

由于在凸起中离开受热主体的热流，柱状凸起例如沿其延伸方向具有不均匀的温度曲线，以及因此具有热输出不均匀的输送。每个热电元件具有对于特定的温度差异可达到最大值（最大效率）的热电效率。这里，用语“热电效率”含义是输送的电能与吸收的热输出的商。对于每个热电元件来说，为了达到尽可能高的效率，将热电元件的种类制造为与凸起的各自的局部温度、并因此与热端和冷端之间的温度差异相匹配。

作为替代或附加，可有意（部分地）阻挡或帮助从凸起到热电元件的热流，例如以达到尽可能均匀的热输出的输送，并且因此获得与热电元件所规定的热电效率相适应。

调节温度曲线的另一可能是调节凸起的横截面。因此，例如可选择为沿其延伸方向将其缩窄和/或加宽，由多孔材料（部分地）组成，和/或具有（部分）粗糙的表面。

这样，可特别容易地使热电元件的效率适应于凸起所输送的热输出。

在这里还提出，将热电元件侧向地布置在至少一个凸起上，即布置在周向表面上。类似优选地是，所有的热电元件具有相同的电效率（在通常操作温度下）。此外，这里优选地是，在整个周向表面上至少一个凸起所输送的热输出为相同或基本相同（例如，相对于相应的小的参考面）。

根据装置的一种优选的改进，在受热的导热主体上的至少一个凸起在周向表面上具有相同的温度。在这一方面，用语“相同”意味着可在凸起的整个周向表面上使用相同的热电元件。在这种情况中，主体或凸起设计为使得特别是在所有的（动态和/或稳态）载荷状态或加热状态中，在周向表面上实现了优选为小于100℃的温度差异，特别是小于50℃，以及更优选为最多20℃。特别是，周向表面上的温度偏离所用热电元件的最大效率最多30%，优选地甚至仅最多15%。如果在整个周向表面上实现了相同的温度，则不必要求使用具有不同最大效率的不同的热电发生器来使各自输送的热输出与相应发生器的最大效率相匹配。

下面通过例子给出了一些用于热电元件的材料及其最大操作温度：

n-型：Bi2Te3 [约250°C];

      PbTe         [约500°C];

      Ba0.3Co3.95Ni0.05Sb12  [约600°C];

      Bay(Co,Ni)4Sb12  [约600°C];

      CoSb3   [约700°C];

      Ba8Ga16Ge30  [约850°C];

      La2Te3  [约1100°C];

      SiGe  [约1000°C];

      Mg2(Si,Sn)  [约700°C];

p-型：(Bi,Sb)2Te3  [约200°C];

      Zn4Sb3  [约380°C];

      TAGS    [约600°C];

      PbTe  [约500°C];

      SnTe  [约600°C];

      CeFe4Sb12  [约700°C];

      Yb14MnSb11  [约1000°C];

      SiGe  [约1000°C];

      Mg2(Si,Sb)  [约600°C]。

根据装置的一个优选的改进，通过至少一个第一隔热体将至少一个热电元件与至少一个凸起至少在局部区域中隔开。

为了调节凸起的温度曲线，提出了第一隔热体，其连接于凸起（特别是其周向表面）（例如涂层）并且降低到热电元件的热流。这里，用语“隔热体”应当被理解为其不会完全地阻止热流而是仅阻挡热流的意思。隔热体可在凸起的一个或多个局部区域上延伸，或者完全将其盖住。引入在凸起和热电元件之间的隔热体具有如下的作用：凸起至少在局部区域中不再与热电元件直接热接触，这通过用语“隔开”来表述。

还提出了在一个凸起上使用多个热电元件，以便对于不同的凸起使用不同的热电元件，以及对于不同的凸起选择不同的热电材料或不同的材料厚度。

根据装置的另一优选的改进，通过至少一个第二隔热体将至少一个热电元件与至少一个受热主体在至少部分区域中隔开。

这里，第二隔热体优选地布置在最靠近（相邻于）主体的热电元件和受热主体之间，以避免在凸起的主体侧部（底部）上的端部处出现凸起的温度曲线中的峰值，以及避免（特别是通过热辐射）对热电元件的不利影响。优选地通过第二隔热体完全抑制热流。这种隔热体可由与第一隔热体相同的材料组成，但是也可包括不同的材料。第二隔热体既可限制在靠近凸起的区域，也可为覆盖整个主体的涂层形式。

根据装置的另一优选的改进，至少一个凸起具有轴向方向，以及制造为在凸起的轴向方向中的至少一个热电元件的热电效率相匹配的横截面。

通常，轴向方向应当理解为凸起从底部到顶部或前部的延伸方向。凸起的横截面应理解是垂直于轴向方向的平面，并且因此表面法线平行于轴向方向延伸。因此，这里凸起设计为使其沿着轴向方向具有不同的横截面。在这种情况中，横截面可在例如其形状或轮廓、其尺寸、孔隙度和/或材料的导热性能方面不同。横截面的变化具有使热流路径缩短或延长或将其阻挡或变得容易的作用，使得可以获得热能通过周向表面和沿着轴向方向的不同耗散。这样，可以特定地影响凸起的温度曲线，使得其又与热电元件的热电效率相匹配。

根据装置的另一优选的改进，至少两个热电元件具有相同的最大效率。

如果使用多个热电元件，优选地使用具有相同的最大效率的热电元件，使得通过前面提及的方法，仅要求最大效率和所输送的热输出相互匹配，并且不需要材料的匹配。因此，所有连接于凸起的周向表面的热电元件优选地具有相同的最大效率。

本发明的一个特别优选的应用是在带有内燃机的机动车中，特别是在客用机动车中。

附图说明

基于示意性附图说明了本发明和技术环境。应注意地是，附图显示了实施方案的特别优选的变体，但是本发明不限于这些此。在图中：

图1显示了带有调整了横截面的凸起的装置的实施方案的第一变体，

图2显示了带有调整了横截面的凸起和额外的第一隔热体的装置的实施方案的第二变体，

图3显示了带有多个热电元件的装置的实施方案的第三变体，

图4显示了用于从机动车的热废气中产生电能的装置的整体，和

图5显示了带有相应装置的机动车。

具体实施方式

图1显示了装置1的实施方案的第一变体，其带有由加热装置13（例如燃烧器）来加热的主体2，以及在侧向上连接有通过冷却装置14来冷却的热电元件4的凸起3。凸起3通过第二隔热体15与受热主体2在局部位置7中隔开，由此可避在凸起3的底部18处的温度峰值。此外，凸起3沿其轴向方向8具有不同的横截面9，由此使得凸起3所输送的热输出适应于热电元件4的效率。对于这里所示的变体，热电元件4从底部18沿着周向表面17延伸到凸起3的前部16。然而原则上说，为了适应的目的，热电元件4的数量和取向或位置可为多种形式。

下文涉及的附图在一定程度上显示了相同的部件，这里也使用相同的标记对其进行标记。

图2显示了装置1的实施方案的第二变体。凸起3通过第一隔热体5与热电元件4在局部区域6中隔开，并且沿轴向方向8具有不同的横截面9。第一隔热体5也具有不同的横截面，其适应于凸起3的横截面9。热电元件4侧向地连接于凸起3和第一隔热体5，并且通过第二隔热体15与受热主体2隔开。在这种示例性的实施方案中，通过第一隔热体5的几何形状和通过凸起3的不同横截面9产生了所输送的热输出相对于热电元件4的效率的适应。

图3显示了装置1的实施方案的第三变体。热电元件4通过第二隔热体15与受热主体2隔开。通过具有不同的最大效率的热电元件4产生了凸起所输送的热输出相对于热电元件4的效率的适应。

图4显示了凸起3所输送的热输出。在左侧的图显示了不带有第一隔热体5的柱状凸起3。在这种情况中，所输送的热输出P沿着轴向方向8从底部到前部而降低。在右侧的图显示了带有第一隔热体5且在轴向方向8中具有不同横截面9的凸起3。所输送的热输出P沿着凸起3的轴向方向8而升高。

图5显示了带有内燃机11的机动车10，其产生通过与装置1热接触的废气系统而排放的废气12。这允许从机动车10的废气12的热能中获得电能。在这种情况中，优选地是不（仅仅）通过废气为热电发生器提供加热，而是提供至少一个燃烧器和/或电加热器，以便为固态基板提供恒定的热供给。

附图标记列表

1装置

2主体

3凸起

4热电元件

5第一隔热体

6局部区域

7局部位置

8轴向方向

9横截面

10机动车

11内燃机

12废气

13加热（装置）

14冷却（装置）

15第二隔热体

16前部

17周向面

18底部

Claims (6)

1.一种用于产生电能的装置(1)，包括至少一个带有至少一个凸起(3)的受热的导热主体(2)，以及多个侧向地连接于所述至少一个凸起(3)的热电元件(4)，每个热电元件(4)的热电效率与通过所述至少一个凸起(3)输送的热输出相互匹配。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，受热的导热主体(2)上的所述至少一个凸起在周向表面(17)上具有相同的温度。

3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，至少一个热电元件(4)通过至少一个第一隔热体(5)与所述至少一个凸起(3)至少在局部区域(6)中隔开。

4.根据上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，至少一个热电元件(4)通过至少一个第二隔热体(15)与所述至少一个受热主体(2)至少在局部位置(7)中隔开。

5.根据上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，至少一个凸起(3)具有轴向方向(8)和横截面(9)，所述横截面制造为与所述凸起(3)的轴向方向(8)中的至少一个热电元件(4)的热电效率相匹配。

6.根据上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，至少两个热电元件(4)具有相同的最大效率。

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