CN103620170A - 用于机动车辆的热电发生器的具有热交换器的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有热交换器(1)的装置，至少包括带用于流体(8)的沿着轴向方向(3)于第一端侧(5)设置的入口(4)和于第二端侧(7)设置的出口(6)的壳体(2)，至少一个外壳管(9)和与之同心地设置的内壳管(10)，其中，壳体(2)还包括邻接于入口(4)的环形的第一导管(11)和设置在出口(6)上游的环形的第二导管(12)，其中，第一导管(11)和第二导管(12)通过多个用于流体(8)的在内壳管(10)和外壳管(9)之间的中间空间(14)中沿轴向方向(3)延伸的流道(13)相连接，其中，在多个流道(13)内分别设有至少一个热交换器管(15)。

Description

用于机动车辆的热电发生器的具有热交换器的装置
技术领域
本发明涉及一种用于特别是用于设置在机动车辆中的热电发生器的具有热交换器的装置。
背景技术
来自机动车辆的内燃机的废气会释放热能，通常希望依靠热电发生器来将所述的热能转换为电能，以便例如为电池或其它能源存储件充电和/或为电力消耗器直接供给所需能源。这样，可获得更大量的能量用于机动车辆的操作。通过使用热电发生器，进一步提高了内燃机的能效。
所述类型的热电发生器至少具有大量的（如果适当的话为模块化的）热电转换元件。热电材料是能以高效的方式将热能转换为电能（塞贝克效应）或相反（珀尔贴效应）的材料。塞贝克效应基于热能转化为电能的这一现象，并且用于产生热电能。珀尔贴效应与塞贝克效应相反，是与热吸附有关的现象，且由流过不同的材料的电流而产生。已经提出将珀尔贴效应例如用于热电冷却。
此类热电转化元件优选地具有多个位于所谓的热端和所谓冷端之间的热电元件。热电元件包括例如至少两个半导体块体（p型和n型），其在它们的上侧和下侧（分别面对热端和冷端）交替地连接到导电桥。陶瓷片体或陶瓷涂层或其它塑料和/或相似材料充当绝缘金属桥，且因此优选地设置在金属桥之间。如果在半导体块体的两侧提供温度梯度，则会形成电势。在这种情况下，在一个接触点（热端）吸收热，电子从这一端传到下一块体的高能传导带。在另一端，电子释放能量以便返回低能级（冷端）。因此，在给定相应的温度梯度时可产生电流。
在热电发生器的设计和其在机动车辆中的应用中必须克服种种挑战。其中，在热电转化器元件中必须提供良好的热传递，以使现有的温度差能有效地转换为电能。此外，在内燃机的会在多种多样的加载条件下操作的废气系统中，必须提供适合热电元件的温度水平。在这种装置或废气系统中的热电元件的设置必须考虑到这些方面。
发明内容
因此，本发明的目标为至少部分地解决关于现有技术的突出问题。特别地，试图详细说明一种具有将来自废气的热能转化为电能的高效率的装置。此外，此装置应具有为尽可能节省空间的结构，以及特别是应适合在机动车辆的地板的区域中布置。此外，可以不需要繁琐措施的集成而将装置可拆卸地安装到机动车辆中。
依靠根据权利要求1的特征的装置可实现所述目标。在从属权利要求中详细说明了根据本发明的装置的优选实施例。应当注意的是，在权利要求中提及的单独特征能以任何想得到的技术上有意义的方式结合，且形成了本发明的进一步的实施方案。说明书特别是结合附图而进一步地解释了本发明，且给出了本发明的补充说明实施方案。
该装置具有热交换器，特别是用于设置在车辆内燃机的废气系统中，所述的热交换器具有至少一个壳体，其带有用于流体的沿着轴向方向在第一端侧上设置的入口和在第二（相对的）端侧上设置的出口。此外，热交换器具有至少一个外壳管和与其同心地设置的内壳管，以及具有（直接地）临接于入口的环形的第一导管和（直接地）设置在出口上游的环形的第二导管。第一导管和第二导管通过多个用于流体的流道连接，这些流道沿轴向方向在（环形的）中间空间中于内壳管和外壳管之间延伸。在多个流道中分别设置了至少一个热交换器。因此，流体通过入口流入环形的第一导管，随后通过多个流道被引导到环形的第二导管。接着，流体通过出口流出壳体。
壳体或者是内壳管和/或外壳管优选地为圆的，尤其是圆形或其它椭圆/卵形形状，但绝不限于这种形状。通过外壳管和内壳管形成了围绕着流道的中间空间。内壳管围成了腔体。入口和出口特别是圆柱状，且与内燃机的排放管连接。流体（例如内燃机的废气）从排放管流入环形的第一导管，然后通过所述的第一导管被转送到外壳管和内壳管之间的（环形的）中间空间内。特别地，环形的第一导管至少部分地包围了入口。然而，第一导管也可以是圆柱形状，且直接地邻接于入口，使得流体通过第一导管流到环形中间空间内。
在该装置的一个优选实施例中，至少一个流道不具有热交换器管。因此，所述的流道用作为支路，其依靠设置在例如环形的第一导管内和/或入口内的控制元件而被流体填充。优选地，全部的流体可以通过所述支路被引导通过热交换器管。这是必须的，尤其是当废气温度很高时而使得热交换器管不能被充分地冷却时，或者是当在冷却供给源上没有额外的负载时。因此，此外可能的是，通过使因流体流过热交换器管而仅发生一处可控制的热损耗来对设置在下游的废气处理元件处的热量引入进行控制。因此，热能保持存储在流体中，并且在热交换器的下游向在排放管中额外提供的废气处理部件第一次消散。考虑内燃机的操作点和/或考虑流体的特性参数（温度、压力、流体组成），可以很好地完成对经过支路的流量的控制和/或调节。
在本装置的另一个优选实施例中，在热交换器管中提供了热电元件。这里，热电元件特别是在热交换器管的轴向方向上以环状的形式一个个地堆叠起来。热流体（废气）在外侧流过热交换器管，且冷却流体（水）在内导管中流过热交换器管。由于在热交换器管的外表面和内导管之间所产生的温度差，电连接的热电元件产生了能通过合适的电气端子在热交换器的外壳上截取的电流。因此，带有热交换器的装置可作为尤其是连接在机动车辆的电力存储件或电力消耗器处的热电发生器来操作，使得通过这种方式，通过热电发生器产生的电力能供给机动车辆。
作为用于热电元件的热电材料，尤其可以考虑以下：
n型热电材料：硅化物（例如MgSi-MgSn）
p型热电材料：津特耳相（例如Zn4Sb4）
所述材料已经证明是特别有益的，且允许热流体（废气）的热能向电能的有效转化。硅化物特别是硅的二元金属化合物，其能用作半导体。津特耳相特别指高正电性的碱金属或碱土金属和从元素周期表的第13组到第16组的适度负电性元素之间的金属间化合物。相比于金属导体，一些津特耳相是随着温度升高而导电性增加的反磁性的半导体。
在该装置的另一个优选实施例中，内壳管和/或外壳管具有沿轴向方向放置的构件，且其在周向方向上于中间空间中交替地形成横截面缩小部和横截面扩大部。这样，横截面扩大部会分别地形成一个流道。该构件特别是呈波浪形，优选为正弦曲线形构件。特别地，横截面缩小部不会隔开单独的流道，使得在周向方向上相邻的流道之间可以产生（有限的）液体交换。但是，通过横截面缩小部至少部分地隔开流道同样适合本发明。
特别地，内壳管和外壳管设有这样的构件，其中所述构件定位成彼此相关，使得在各种情况下两个壳管均沿着周向方向彼此靠近或进一步彼此分离，由此形成了横截面缩小部和横截面扩大部。特别地，横截面扩大部的最大宽度与横截面缩小部的最小宽度的比值（最大宽度/最小宽度）至少为2，优选地至少为3，特别优选地至少为5。
特别地，外壳管和/或内壳管设置成到热交换器外表面有2～7mm[毫米]的（最小）间隔。所述的间隔导致了流过热交换器管的适宜外表面的流体的有利的分布。特别是，外壳管和/或内壳管的所述构件具有可引导废气穿过与之邻近的热交换器管的效果。特别地，热交换器管具有25～35mm[毫米]的最大直径，特别地达到至多30mm。特别地，热交换器管以彼此间隔开的在周向方向上外表面之间为4～14mm[毫米]的距离而布置。
特别地，至少在一个热交换器管上和/或至少在一个流道中设置了能实现流体/废气的转向的导向元件。特别是，导向元件至少部分地固定于内壳管和/或外壳管。特别地，所述导向元件尤其可用于使流体转向成围绕着热交换器管，和/或在相邻的热交换器管之间混合流体，和/或至少部分地使流体转向到相邻的热交换器管中。
在另一个实施例中，至少一个热交换器管和/或至少一个导向元件和/或内壳管和/或外壳管配备有用于在流体流中产生湍流的结构。所述结构通过增强的粗糙度和/或通过微观结构形成。所述结构在热交换器管的周围在流体中产生湍流，由此增强了从流体到热交换器管的热传导。通过这种方式，增大的量的热能从流体中提取且通过热交换器管消散。通过这种方式，在这里可以有效地使用热交换器或热电发生器。特别地，所有的热交换器管和/或导向元件具有所述类型的结构。
该结构在热交换器管的周围在流体内产生湍流，由此加强了从流体到热交换器管的热传递。通过这种方式，增大的量的热能从流体中提取并通过热交换器管消散。通过这种方式，在这里可以有效地使用热交换器或热电发生器。
特别地，该结构设置在热交换器管上、导向元件上以及内、外壳管上，且相对于它们的定位和它们对流量的影响而言彼此协调一致。
特别地，以小突起和/或压痕形式设计了微观结构。小突起从导向元件/热交换器管/壳管的表面向外延伸，而压痕向内延伸。
特别地，由增强的粗糙度形成该结构。这里，相对于面向热电元件或冷却流体的热交换器管的表面的粗糙度而言，面向流体的热交换器管的表面的粗糙度增强。这里，相对于背向热交换器管的内和/或外壳管的表面的粗糙度而言，面向热交换器管的内和/或外壳管的表面的粗糙度增强。特别地，在热交换器管和/或在内和/或外壳管上增强的粗糙度增强到至少为5倍，优选地至少为10倍，特别优选的至少为20倍。粗糙度看做为平均粗糙度Ra或平均粗糙深度Rz。对本领域技术人员来说，从国际标准如DIN EN ISO4287中确定特征粗糙度值的方法是熟知的。
特别地，支路不具有用于增加湍流的结构。特别地，支路也不具有导向元件。
在另一个优选实施例中，热交换器管在轴向方向上延伸至第一导管之外和/或第二导管之外。热交换器管通过至少一个（共用的）端口连接到冷却剂供给源。特别地，该端口包括供给管线和回路管线，使得冷却流体能在热交换器管和冷却装置之间循环。特别地，热交换器管设置在至少一个共用的盖板上，其允许冷却液体从一个端口分布到各个热交换器管上。这里，可以在第一端侧上和第二端侧上分别设置一个盖板，使得冷却流体沿一个轴向方向流过所有的热交换器管。
在热交换器中，特别是可以将能使流体径向流动的蜂窝体设置在第一导管内。所述蜂窝体尤其可具有催化涂层。蜂窝体具有形成为向入口开放的布置在中心的流入导管。因此，流体能通过入口流入到流入导管中，通过蜂窝体的径向延伸的流动导管向前被引导到中间空间内。
本发明尤其是可以应用在具有内燃机和具有废气处理装置以及也具有设置在排放管中的根据本发明的装置的机动车辆中，其中，流体是内燃机的废气。特别是，显然可以单层或其它多层排放管的方式提供多个装置。
该装置也可可拆卸地安装在排放管中，其中仅必须提供到冷却供给源的连接。如适当的话，必须提供到控制单元的连接以实现对所提供的支路的相应驱动。
附图说明
下面参照附图对本发明和其技术领域做更详尽的解释。附图详尽显示了优选实施例，但本发明并不限于此。在示意性的图中：
图1显示了具有热交换器的装置的纵向截面；
图2显示了具有热交换器的装置的进一步变型设计的纵向截面；
图3显示了图1的装置的横截面；以及
图4显示了在机动车辆中的所述类型的装置的示例性布置。
具体实施方式
图1显示了具有热交换器1的装置的纵向截面。流体8（或废气）流过第一端侧5处的入口4，流过与入口4流体式连通的流入导管36，进入使流体能径向流动的蜂窝体37。蜂窝体37设置在环状的第一导管11内。流体8沿着径向方向流过能使流体径向流动的蜂窝体37，所述流体进入由外壳管9和内壳管10形成的中间空间14。在中间空间14中，流体8再次转向为轴向方向3，并沿着出口6的方向流过中间空间14。如图1所示，中间空间14在轴向方向3上呈圆柱形设计。相应地也可采用圆锥形的设计，例如中间空间14沿着轴向方向3逐步扩大。
流体8沿着多个围绕热交换器管15形成的流道13以轴向方向3流到第二导管12。在第二导管12中，流体8汇集且向前流到第二端侧7的出口6。热交换器管15沿轴向方向3延伸过整个中间空间14。流体8流过热交换器管15的外表面33。这样，在这里形成了“热端”。热交换器管15具有内导管32，冷却液31穿过其中。特别为环形形状的热电元件22设置在内导管32（冷端）和外表面33（热端）之间。该装置和热电元件22一起形成了热电发生器。热流体8（废气）围绕热交换器管15的外表面33流动，这样在冷端和热端之间产生了温度势。通过热电元件22将所述温度势转变为电能。
热交换器管15设置在分别由内壳管10和外壳管9所形成的流道13中。这里，外壳管9至少部分地形成了壳体2。外壳管9和内壳管10分别设置成到热交换器管15的外表面33形成了间隔34。
在壳体2上在入口4或第一端侧5的区域中提供了盖板26。所述的盖板26首先用于在轴向方向3界定中间空间14，其次用于容纳热交换器管15，使得通过热交换器管15的冷却流体31于此处供应和排放。用于连接冷却剂供应源的端口20设置在盖板26中。热交换器管15从盖板26到第二端侧7地延伸过中间空间14。这里，提供了可引起冷却流体31通过另一热交换器管15返回盖板26的转向。同时，在盖板26内提供了电气接线柱（未示出），使得由于在热交换器管15内布置了热电元件22而在热交换器管15内因热的流体8和冷的冷却流体31之间的温度差而产生的电流能向机动车辆输出。
图2显示了具有热交换器1的装置的进一变型设计的纵向截面。在图中，相同的构件使用相同的附图标记。在入口4的区域内表示的是能使流体转向到旁路中的控制元件30。旁路由其中未布置热交换器管15的流道13构造而成（在此未示出）。
图3显示了按图1的带热交换器1的装置沿着图1中所示的剖面线(III)的横截面。这里，壳体2由外壳管9形成，且包围了中间空间14和内壳管10。热交换器管15设置在中间空间14内。中间空间14为环状的，且由内壳管10限定了其内部。内壳管10包围了腔体27。在中间空间14内形成了多个流道13，流体8能沿这些流道流过中间空间14。在一个热交换器管15上显示了用来在流体中产生湍流的结构39。通过所述结构39，改善了流体8和热交换器管15之间的热交换。
在图3的下部详细说明了一个热交换器管15的横截面，其中，这里显示了热交换器管15内的环形热电元件22。在周向方向17上以距离35彼此间隔开地设置了热交换器管15。
在图3的左上部中，（用虚线）表明了外壳管9和内壳管10的构件16。由于构件16的存在，在周向方向17上于中间空间14中形成了横截面缩小部18和横截面扩大部19。通过这里所示的横截面缩小部18，在靠近横截面扩大部19的流道13之间可能发生流体8沿周向方向17的交换。横截面缩小部18的最窄点具有最小宽度42。横截面扩大部19的最宽点具有最大宽度43。
图3还显示了至少部分地转向流体8的导向元件40。流体8依靠导向元件40而在各个热交换器管15的周围引导，使得流体8不仅沿轴向方向3流动，而且也至少部分地沿周向方向17和/或径向方向41流动。
图4显示了带有热交换器1的装置在机动车辆23中的设置。机动车辆23具有带排放管25和废气处理元件28的内燃机24。在这种情况下，热交换器1为热电发生器29的形式，其中，设置在热电发生器29中的热交换器管通过供给管线和回流管线与冷却剂供给源21相连。在热交换器1中还提供了用于特别地促动控制单元的调整单元38，从而能够控制流过旁路的废气的量。这样，能引导废气穿过热交换器管和穿过热电元件，因此，若适当的话，热电发生器29内的废气不会在内燃机24的冷却剂供给源21上产生额外的负担。
本发明的另外的配置或设计变化是可能的。特别是，可以在壳体2中设置多个盖板26，使得热交换器管15不仅在一端固定，还能在另一端固定。因此也可能的是，端口20分别设置在不同的盖板26内，以致流体仅沿一个轴向方向3通过热交换器管15。如这里图中所示的，冷却流体31从临近入口4的盖板26沿轴向方向3流过热交换器管15到第二端侧7，并且返回盖板26。特别地，盖板26也可以设置在装置的第二端侧7上。
依靠腔体27来形成用于流体8的旁路也同样地涵盖在本发明的范围之中。所述支路形成为向入口4和出口6开放，使得流体8能流过腔体27。该支路也可尤其通过设置在腔体27中的作为控制元件30的活板来形成。作为活板打开的结果，至少流体8的主要部分被引导通过腔体27，因为这里存在着最低的流体阻力（与流体引导穿过流道13相比）。在这种情况下，内壳管10形成为至少部分地没有构件16，使得控制元件30能在内壳管10处密封式封堵腔体27。
附图标记列表
1  热交换器
2  壳体
3  轴向方向
4  入口
5  第一端侧
6  出口
7  第二端侧
8  流体
9  外壳管
10 内壳管
11 第一导管
12 第二导管
13 流道
14 中间空间
15 热交换器管
16 构件
17 周向方向
18 横截面缩小部
19 横截面扩大部
20 端口
21 冷却剂供给源
22 热电元件
23 机动车辆
24 内燃机
25 排放管
26 盖板
27 腔体
28 废气处理部件
29 热电发生器
30 控制元件
31 冷却流体
32 内导管
33 外表面
34 间距
35 距离
36 流入导管
37 蜂窝体
38 调整单元
39 结构
40 导向元件
41 径向方向
42 最小宽度
43 最大宽度

Claims (6)

1.一种带有热交换器(1)的装置，至少具有带用于流体(8)的沿着轴向方向(3)于第一端侧(5)设置的入口(4)和于第二端侧(7)设置的出口(6)的壳体(2)，以及至少一个外壳管(9)和与之同心地设置的内壳管(10)，其中，所述壳体(2)还具有邻接于所述入口(4)的环形的第一导管(11)和设置在所述出口(6)上游的环形的第二导管(12)，其中，所述第一导管(11)和所述第二导管(12)通过多个用于流体(8)的在所述内壳管(10)和所述外壳管(9)之间的中间空间(14)中沿轴向方向(3)延伸的流道(13)相连接，其中，在多个流道(13)内分别设有至少一个热交换器管(15)，其中，流体(8)通过所述入口(4)流入所述环形的第一导管(11)，随后通过所述多个流道(13)引导到所述环形的第二导管(12)，并且通过所述出口(6)流出所述壳体(2)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内壳管(10)和/或所述外壳管(9)具有沿轴向方向(3)布置的构件(16)，所述构件在中间空间(14)中在周向方向(17)上交替地形成了横截面缩小部(18)和横截面扩大部(19)，其中所述横截面扩大部(19)分别形成了一个流道(13)。
3.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述热交换器管(15)沿轴向方向(3)延伸到所述第一导管(11)之外和/或到第二导管(12)之外，并且在所述壳体(2)之外通过至少一个端口(20)与冷却剂供应源(21)连接。
4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在所述热交换器管(15)中设置了热电元件(22)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在所述流道(13)中设置了用于使流体(8)转向的导向元件(40)。
6.一种机动车辆(23)，具有内燃机(24)、排放管(25)以及设置在所述排放管(25)中的根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述流体(8)为所述内燃机(24)的废气。
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