CN103261613B - 将热能转换为电能的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将热能转换为电能的装置，其包括至少一个具有外表面的热电模块（19），该热电模块具有用于接触热源的热侧（20）和用于接触散热片的冷侧（22），其中，该热电模块的热侧热传导地连接至热源，特别是连接至内燃机的废气通道（11）。所述装置进一步包括冷却通道（25），冷却液可流过所述冷却通道，并且所述冷却通道热传导地连接至热电模块的冷侧。该冷却通道具有至少一个至热电模块冷侧的开口，并且相对于热电模块的热侧以不透流体的方式在所述开口周围密封。

Description

将热能转换为电能的设备
本发明涉及一种将热能转换为电能的装置，其包括至少一个具有外表面的热电模块，所述热电模块具有用于与热源接触而设置的热侧和用于与散热片接触而设置的冷侧，其中热电模块的热侧与热源热传导连通，特别是与内燃机的废气通道热传导连通，该装置还具有冷却通道，冷却液可流过该冷却通道并且该冷却通道与热电模块的冷侧热传导连通。
这种装置也称作“热电式发电机”(TEG)并用于各种类型的废热利用中。例如，热电式发电机可用于内燃机中的废气热量的利用，热废气流的一些热能被转换为电能并供给机动车的车载电源，使得因此最终节省燃料。除了热电模块的效率外，尽可能大的电能产量的决定性因素首先是热源和散热片之间尽可能大的温度差。
WO2007/026432A1公开了一种热电式发电机，其中，平坦的热电模块布置在叠置的加热通道和冷却通道之间。
EP2180534A1中公开了一种热电式发电机，其加热通道和冷却通道由玻璃陶瓷材料制成。
EP1965446A1中公开了一种热电式发电机，其具有基于玻璃陶瓷材料的热电模块。
WO2004/054007A2公开了一种热电式热泵，其中，热电元件布置在两个通道板之间。
GB737827A公开了一种叠置的环形陶瓷板形式的热电式发电机，在陶瓷板之间，插入有S形横截面的金属板。
然而，传统的热电式发电机的效率相对较小，因此需要增加这种类型的装置的电能产量。
根据本发明，冷却通道具有朝向热电模块的冷侧的至少一个开口，并相对于热电模块的热侧在开口周围不透流体地密封。因此，以不透流体的方式封闭的功能性冷却通道未附接至热电模块，例如，而是仅通过紧固过程进行密封，也就是说，热电模块的外边界直接用于限制冷却通道。以这种方式，能够改进从热电模块的冷侧到冷却液的热传递，因为至少省去了作为开口区域中的附加热传递电阻器的通常存在的冷却通道壁。因此本发明通过流动的冷却液允许改进的热量排除，并因此允许热电式发电机的总效率更高。
根据本发明，冷却通道以不透流体的方式附接至用于热电模块的一壳体，特别是附接至一水槽状或者半壳体状的壳体。该壳体保护热电模块不受损坏并可同时用来将热电模块紧固至废气通道。
从热电模块的冷侧方向看，冷却通道优选地基本上是完全开放的。因此，热电模块的冷侧(除任何紧固部分外)与流过冷却通道的冷却介质全区域且直接地接触，借此产生特别有效的热传递。
在热电模块的冷侧可设置有表面结构，该表面结构至少局部地在冷却通道的开口上方延伸，并具体地还包括旋钮和/或珠子。因此能够提高从热电模块的冷侧到冷却液的热传递效率。优选地，该表面结构在整个开口上方延伸，也就是说，在流动冷却液和热电模块之间发生直接接触的区域上方延伸。表面结构的升高部或突出部也可通过开口突出到冷却通道中。
冷却通道能够基本上完全覆盖热电模块的冷侧，以最优化冷却效果。
根据本发明的一个实施例，横向于冷侧延伸的导流壁布置在冷却通道中。在冷却通道附接至热电模块之后，导流壁可与热电模块的冷侧不透流体地接触。在操作期间，可通过导流壁沿着热电模块的冷侧上方的预定路径引导冷却液。可利用力传递或材料连续性将冷却通道紧固至热电模块。优选地，以力传递的方式将冷却通道附接至靠近边缘的区域中的热电模块。
导流壁可特别界定热电模块的冷侧上方的曲折的流动路径。在这样的实施例中，在流过冷却通道期间，冷却液可从热电模块的冷侧吸取特别大量的热。
可替换地，导流路径还可构造成使得流过冷却通道的流体被激发以形成无规则的流动。
根据本发明的一个优选实施例，导流壁利用力传递或利用材料连续性附接至热电模块和/或冷却通道。以这样的方式，能够避免流体泄漏并对热电模块的冷侧上方的冷却介质形成良好的引导。
根据本发明的装置可进一步包括彼此邻近布置并附接有相应的冷却通道的多个热电模块。优选地，可使用同种类的多个热电模块以及同种类的冷却通道。因此，所述装置能够以一种简单的方式适用于不同的应用，特别是适用于不同尺寸和不同形状的废气通道。
从工艺流程方面看，多个热电模块的冷却通道可串联连接。可替换地，从工艺流程方面看，利用将共用冷却液供给流分成多个单独冷却液流以供给冷却通道而设置的装置，多个热电模块的冷却通道可并联连接。例如，分布管线或分布管道可用作进行分离的装置。通过多个冷却通道的并联连接能够防止沿着废气流动路径从进口侧到出口侧形成不期望的大温度梯度。
本发明进一步涉及一种利用内燃机中的废气热量的装置，其中，至少一个如上所述的将热能转换为电能的装置附接至内燃机的废气通道，并且其中，热电模块的电输出连接器连接至与内燃机相关联的电能储存器。电能储存器例如可以是机动车的主电池。通过将电能供给至主电池，可释放发电机，使得在机动车的操作过程中达到整体的节省燃料的效果。
本发明进一步涉及一种用于内燃机的废气系统，特别是用于机动车中，该废气系统具有如上所述地利用废气热量的装置。
彼此邻近布置并且具有相应的冷却通道的多个热电模块能够附接至废气系统的组件，其中共用冷却液流入管线和共用冷却液流出管线与废气的流动方向平行地延伸。一方面，因为所有的热电模块和因此所有的冷却通道都由单个共用管线供给，因此形成了一种简单的设计。另一方面，相对于废气系统组件的表面确保了有效的冷却，这是因为所有的单个模块都被单独流过并由此避免了不期望的高温梯度。
根据本发明的另一实施例，至少两个具有相应的冷却通道的热电模块附接至废气系统的组件的相对侧。例如，废气通道的平坦部段可在上侧和下侧都设置有热电模块的装置。因此，能够进一步改进从废气到热电模块的热侧的热传递。
根据本发明的废气系统还可包括将废气系统的第一废气通道分成两个平行的部分通道并将部分通道在下游端一起引导至第二废气通道的装置，其中至少一个热电模块附接至这两个部分通道，并且至少一个另一热电模块布置在这两个部分通道之间。优选地，独立冷却液流入管线和独立冷却液流出管线与平行的部分通道中的每一个相关联。以这样的方式，能够进一步优化从废气到热电模块的热传递。
优选地，冷却通道连接至内燃机的冷却回路。总之，通过利用废气热量，以一种有利的方式使用发动机运行所需的冷却液，以节省燃料。
此外，废气系统可具有至少一个消音设备，该消音设备是考虑热电模块的消声功率而设计的。一个或多个消音设备可具体地容纳于消声器壳体中，该消声器壳体在任何期望的位置整合在废气系统中。由于热电元件的消声效果，有可能在消声器壳体中形成较小尺寸的消音设备和/或减少其数量或者完全省却额外的消音设备。因为通过热电模块从废气中移除了热能，所以不仅实现了废气的冷却，而且降低了噪声发射。
下面将参考附图举例说明本发明。
图1是根据本发明的将热能转换成电能的装置的透视剖视图，该装置附接至内燃机的废气通道；
图2示出了根据图1装置从上面所看的视图；以及
图3是附接有多个根据本发明的将热能转换为电能的装置的废气系统的组件的透视图。
根据图1和图2，废气通道11用于沿着流动方向S将来自内燃机(未示出)的热废气引导至大气。废气通道11具有矩形的平坦的横截面并且被分成多个二级通道12。凸缘13设置在废气通道11的流体进口侧的端面处，并且用来将废气通道11连接至相关的废气组的前导组件。然而，在废气通道11的流体出口侧的端面处同样设置有凸缘(图1未示出)。热电模块19的相应装置设置在废气通道11的上侧15和下侧17处，以将流动废气的热能转换为电能。每个热电模块19都容纳于金属的半壳体状或者帽子状的壳体21中，该壳体利用紧固凸缘23附接至废气通道11。舌状涡流元件14设置于废气通道11中以在流动废气中直接产生涡流。
每一热电模块19定向成使得为接触热源而设置的热侧20面向废气通道11。冷却通道25设置在每一热电模块19的相对冷侧22处，冷却液(具体是水)可流过该冷却通道。每一冷却通道25包含多个导流壁27的托架结构并且以基本上全区域的方式覆盖相关热电模块19的冷侧22。在这方面，导流壁27优选地以直角延伸至热电模块19的冷侧22并且限定曲折的流动路径。在冷却通道25的背离废气通道11的平坦侧，封盖元件29为冷却通道25提供相对于环境而言的不透流体的端接件。然而，在冷却通道25的相对的平坦侧上没有设置这样的封盖元件，也就是说，从热电模块19的冷侧22的方向看，每一冷却通道25基本上是完全开放的。导流壁27利用材料连续性连接至壳体21，使得冷却通道25相对于热电模块19的热侧20(尽管是开口侧)被密封。
导流壁27可以用金属片、在切削过程中机加工的固体材料(诸如塑料)或者以类似的方式来生产。在示出的实例中，导流通道27本身形成如所述的冷却通道25的托架结构。可替换地，每一冷却通道25还可设置有导流壁27所附接的框架状的基底结构。
该装置在运行期间，为每一冷却通道25供应冷却水，该冷却水流过冷水进口31(图2)并随后在冷却水出口33处排出之前利用导流壁27以曲折流动方式在热电元件19的冷侧22上被引导。
具体地如根据图3的整体示意图能看到，废气组部分可包括入口漏斗35、出口漏斗37以及在其间延伸的两个平行的部分通道11a、11b，以便利用内燃机中的废气热量。引入的废气流利用进口漏斗35被分流并且在两个部分通道11、11b之间分开。废气部分流在流过平行的部分通道11a、11b后，利用出口漏斗37重新组合成总流。平行的废气通道11a、11b中的每一个在上侧15和下侧17处都配置有热电模块19，所述热电模块具有相应的相互邻近的冷却通道25。沿着流动方向S接连定位的两个热电模块19的装置因此位于两个部分通道11a、11b之间。因此热电模块19设置在各部分通道11a、11b的两侧处，从而与单个未分流的废气通道11相比，有更大的面积促进了热电能转换。
在这方面，共用冷却液流入管线41以及共用冷却液流出管线43与每一个部分通道11a、11b相关联，并且都沿着部分通道11a、11b与废气的流动方向S平行地延伸。每一冷却通道25利用单流入管线45和单流出管线47连接至相应的相关联的共用冷却水流入管线41和相应的相关联的共用冷却水流出管线43。以这样的方式，实现了与部分通道11a、11b的平坦侧相关联的每个热电模块19装置的单独冷却通道25的并联连接。通过该并联连接防止沿着废气的流动方向S形成不期望的高温梯度。每个热电模块19装置的共用冷却水流入管线41和共用冷却水流出管线43连接至内燃机的冷却回路。
在内燃机运行期间，流动的废气加热每个热电模块19的热侧20，而每个热电模块19的冷侧22利用流过冷却通道25的水来冷却。以这样的方式，可从废气的热能中回收电能，该电能便利地供给至相关机动车的车载电源。由于模块化的结构，本发明能适用于废气组的许多不同的变型。从工艺流程方面看，平行的部分通道的原理以及模块在两侧上与单个模块的并联连接相关的布置原理使得热电模块19特别有效地热连接到废气通道11以及冷却通道25。
由于冷却通道25中的冷却水与相关热电模块19的冷侧22之间的直接接触，所以产生了从热电模块19到相关散热片的特别良好的热传递，使得该装置能够高效率地运行。
参考标号列表
11，11a，11b废气通道
12二级通道
13凸缘
14涡流元件
15上侧
17下侧
19热电模块
20热侧
21壳体
22冷侧
23紧固凸耳
25冷却通道
27导流壁
29封盖元件
31冷却水进口
33冷却水出口
35进口漏斗
37出口漏斗
41冷却水流入管线
43冷却水流出管线
45单流入管线
47单流出管线
S流动方向。

Claims (29)

1.一种用来将热能转换为电能的装置，包括：
至少一个热电模块(19)，所述热电模块具有外表面，所述热电模块具有用于接触热源(11)而设置的热侧(20)和用于接触散热片(25)而设置的冷侧(22)；其中，所述热电模块(19)的所述热侧(20)与热源(11)热传导连通，具体与内燃机的废气通道热传导连通；并且包括：
冷却通道(25)，冷却液能够流过所述冷却通道，并且所述冷却通道与所述热电模块(19)的所述冷侧(22)热传导连通，
其中，
所述冷却通道(25)具有至少一个朝向所述热电模块(19)的所述冷侧(22)的开口，并且所述冷却通道相对于所述热电模块(19)的所述热侧(20)在所述开口周围不透流体地密封，
其特征在于，所述冷却通道以不透流体的方式附接至用于所述热电模块(19)的壳体(21)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
从所述热电模块(19)的所述冷侧(22)的方向看，所述冷却通道(25)是完全开放的。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，
在所述热电模块(19)的所述冷侧(22)处设置有一表面结构，所述表面结构至少局部地在所述冷却通道(25)的所述开口上方延伸，并且具体地包括旋钮和/或珠子。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，
所述冷却通道(25)以全区域的方式覆盖所述热电模块(19)的冷侧(22)。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述冷却通道(25)以全区域的方式覆盖所述热电模块(19)的冷侧(22)。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，
横向于所述冷侧(22)延伸的导流壁(27)布置在所述冷却通道(25)中。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，横向于所述冷侧(22)延伸的导流壁(27)布置在所述冷却通道(25)中。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述导流壁(27)界定所述热电模块(19)的所述冷侧(22)上方的曲折流动路径。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述导流路径(27)被构造成使得流过所述冷却通道(25)的流体被激发以形成无规则的流动。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述导流路径(27)被构造成使得流过所述冷却通道(25)的流体被激发以形成无规则的流动。
11.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述导流壁(27)利用力传递或利用材料连续性附接至所述热电模块(19)和/或所述冷却通道(25)。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述导流壁(27)利用力传递或利用材料连续性附接至所述热电模块(19)和/或所述冷却通道(25)。
13.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，
所述装置包括彼此邻近布置的多个热电模块(19)，并且相应的冷却通道(25)附接至所述热电模块。
14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置包括彼此邻近布置的多个热电模块(19)，并且相应的冷却通道(25)附接至所述热电模块。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，
从工艺流程方面，所述多个热电模块(19)的所述冷却通道(25)串联连接。
16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，
从工艺流程方面，利用将共用冷却液供给流分成多个单独冷却液流以供给所述冷却通道而设置的装置，所述多个所述热电模块(19)的所述冷却通道(25)并联连接。
17.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，
所述热电模块(19)的壳体(21)为水槽状或者半壳体状。
18.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述热电模块(19)的壳体(21)为水槽状或者半壳体状。
19.一种利用内燃机中的废气热量的装置，其特征在于，
至少一个根据前述权利要求中任一项所述的装置附接至所述内燃机的废气通道(11)，其中，所述热电模块(19)的电输出连接器与和所述内燃机相关联的电能储存器连通。
20.一种用于内燃机的废气系统，所述废气系统包括根据权利要求19所述的利用废气热量的装置。
21.根据权利要求20所述的废气系统，其特征在于，所述废气系统用于机动车中。
22.根据权利要求21所述的废气系统，其特征在于，
所述废气系统具有至少一个消音设备，所述消音设备是考虑到所述热电模块(19)的消声器功率而设计的。
23.根据权利要求20-22中任一项所述的废气系统，其特征在于，
彼此邻近布置并且具有相应的冷却通道(25)的多个热电模块(19)附接至所述废气系统的组件，其中共用冷却液流入管线(41)和共用冷却液流出管线(43)与废气的流动方向(S)平行地延伸。
24.根据权利要求20-22中任一项所述的废气系统，其特征在于，
具有相应的冷却通道(25)的至少两个热电模块(19)附接至所述废气系统的组件的相对侧(15，17)。
25.根据权利要求23所述的废气系统，其特征在于，具有相应的冷却通道(25)的至少两个热电模块(19)附接至所述废气系统的组件的相对侧(15，17)。
26.根据权利要求20-22任一项所述的废气系统，其特征在于，
包括用于将所述废气系统的第一废气通道分成两个平行的部分通道(11a，11b)并将所述部分通道(11a，11b)在下游端处一起引导至第二废气通道的装置(35)，其中，至少一个热电模块(19)附接至这两个部分通道(11a，11b)并且至少一个另一热电模块(19)布置在这两个部分通道(11a，11b)之间。
27.根据权利要求25所述的废气系统，其特征在于，包括用于将所述废气系统的第一废气通道分成两个平行的部分通道(11a，11b)并将所述部分通道(11a，11b)在下游端处一起引导至第二废气通道的装置(35)，其中，至少一个热电模块(19)附接至这两个部分通道(11a，11b)并且至少一个另一热电模块(19)布置在这两个部分通道(11a，11b)之间。
28.根据权利要求20-22任一项所述的废气系统，其特征在于，
所述冷却通道(25)连接至所述内燃机的冷却回路。
29.根据权利要求27所述的废气系统，其特征在于，所述冷却通道(25)连接至所述内燃机的冷却回路。
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