CN104620401B - 热电装置 - Google Patents

Abstract

一种热电装置(1)，包括扁管(8、38)、第一热电模块(2、39)以及第二热电模块(2、39)。该热电模块(2、39)分别具有带至少两个相对而置的第一壁板(6、7、25、31)的壳体。在壳体的第一壁板(6、7、25、31)之间设置多个热电元件(20)。这些热电元件(20)具有相对而置的表面，这些表面分别与热电模块(2、39)的壳体的第一壁板(6、7、25、31)中的一个处于热接触状态。

Description

热电装置

技术领域

本发明涉及一种具有扁管、第一热电模块和第二热电模块的热电装置，其中这些热电模块分别具有壳体，该壳体具有至少两个相对而置的第一壁板，其中在壳体的第一壁板之间设置多个热电元件，其中热电元件具有相对而置的表面，它们分别与热电模块的壳体的第一壁板中的一个处于热接触状态。此外，还涉及一种热电装置在热交换器中的布局。

背景技术

在机动车中，大部分储存在燃料中的能量转换成热量。除了用来加热例如内部空间以外，它也部分无用地通过废气排出。

这对车辆的整体效率产生了不利的影响。为了提高效率并因此降低运行时的CO₂排放，要努力利用结合到废气中的能量。

为了实现这一点，必须应用热电装置。这些热电装置具有热电活跃的材料，它能够产生电能。为此，热电材料必须承受温度差。

尤其在机动车中提供排气系作为热源。该废气温度在该整个排气系上都足够高，因此热电装置能够在多个位置上集成在排气系中。

例如提供车辆的冷却剂流作为冷源。为此，或者能够扩展已存在的冷却剂回路，或者必要时还能集成另一回路。

文献EP 1230475B1、EP 1475532A2、WO 2007026432、JP 10281015AA、JP2000282960AA、JP 2004068608AA、JP 2005083251AA或JP 2005117836AA虽然公开了应用这种热电装置的方案，但由于热电模块不利地接合到热交换器上，所述应用的效率不高。

为了确保热电装置的尤其有效的应用，重要的是，热电元件在热电模块的内部尤其有利地热结合到流体上。低的热转换效率是尤其有利的，以便能够从两个流体的温差中生成最大的应用效果，或者在备选的实施方式中借助尽可能小的流体消耗实现尽可能有效的热泵。

当前现有技术的缺点尤其是，热电模块接合到引导流体的流体上，尤其就流体和热电活跃材料之间的尽可能小的热阻而言。此外，还没有完美地解决相对于连接材料或热电模块自身中的热应力的抵抗力。此外，迄今为止还未完美地解决热电模块例如在热交换器中的集成性。

发明内容

因此本发明的目的是，提供一种热电装置，它在流体和热电元件之间产生尽可能小的热阻，此外它对热量应力是尽量不敏感的，并且能够简单地集成在热交换器中。

本发明的目的通过具有权利要求1特征的热电装置得以实现。

本发明的实施例涉及一种热电装置，其具有扁管和至少一个第一热电模块，其中热电模块具有带至少两个相对而置的第一壁板的壳体，其中在壳体的第一壁板之间设置多个热电元件，其中这些热电元件具有相对而置的表面，这些表面分别与热电模块的壳体的第一壁板中的一个处于热接触状态，其中该扁管具有至少两个相对而置的第二壁板。其中热电模块设置在扁管的内部，并且借助其第一壁板中的一个与扁管的第二壁板处于热接触状态，并且热电模块通过侧壁与第二壁板相连，其中流动通道在热电模块的壳体和侧壁以及第二壁板之间构成，它可由第一流体穿流。

另一优选实施例涉及一种具有扁管、第一热电模块和第二热电模块的热电装置，其中这些热电模块分别具有壳体，该壳体具有至少两个相对而置的第一壁板，其中在壳体的第一壁板之间设置多个热电元件，其中这些热电元件具有相对而置的表面，这些表面分别与热电模块的壳体的第一壁板中的一个处于热接触状态，其中该扁管具有至少两个相对而置的第二壁板，其中热电模块设置在扁管的内部，并且借助其第一壁板中的一个与扁管的第二壁板处于热接触状态，并且热电模块通过侧壁彼此连接，其中它们在热电模块的壳体和侧壁之间构成了流动通道，该流动通道可由第一流体穿流。

通过将热电元件联合到壳体中，并且通过将这些元件相互电联结成热电模块，能够尤其简单地一起应用热电元件，并且它们遭受温度降。此外，将热电元件设置在壳体内，还能额外地保护热电元件以避免有害的影响，例如碰撞影响或腐蚀介质。

此外，热电模块的布局或扁管内部的热电模块还能保护热电模块自身免受有害的外部影响。

如果流动通道内的第一流体具有高温，则这一点可能会导致连接位置的负载增大。由于热电模块通过背向流动通道的第一壁板与扁管的第二壁板处于接触状态，则在热的第一流体和连接位置之间达到了相对较大的间距。这缓解了热电模块和扁管之间的连接位置的压力。

此外还有利的是，热电模块的壳体的面向流动通道的第一壁板具有凹口，其中该凹口借助密封元件液密地封闭。

这种凹口尤其能够有利地用来平衡出现的热应力。该热应力基本上由流动通道内的第一流体和第二流体之间的温度差产生，该第二流体在热电装置之外流动。

还适宜的是，热电模块的壳体的面向流动通道的第一壁板具有流动阻力元件，它们伸进流动通道中。

通过将流动阻力元件设置在流动通道的边界面上，扩大了边界面的暴露在流体中的表面，这改善了热传递。

根据一个备选的实施例，优选的是，这些侧壁构成热退耦元件。

通过热退耦元件能够减少向外部的热量损失。在最简单的情况下，退耦元件在此通过填充空气的中空腔实现。

还优选的是，热电元件通过引导电桥串联，其中引导电桥设置在热电元件和壳体的第一壁板之间。

热电元件的串联提高了热电装置的效率，因为获得的能量由单个热电元件上的获得的能量的相加构成。

热电元件通过引导电桥连接到第一壁板上是有利的，因为引导电桥起中间介质的作用，它能够局部地接收可能出现的应力并因此释放敏感的热电元件的应力。

还适宜的是，壳体的背向流动通道的第一壁板和扁管的第二壁板构造得相互隔开，并且相互处于热接触状态，或者壳体的背向流动通道的第一壁板和扁管的第二壁板构成为一个单元。

在分开设计的情况下，壁板之间的热接触是尤其有利的，因为尽量优化的热接触能够提高热电装置的热效率。

在第一壁板和第二壁板设计成一个单元的情况下，热接合是更有利的，因为与设置有两个相互处于热接触的壁板相比，热阻在此通常较小。

还优选的是，扁管的第二壁板具有凹口。

通过第二壁板中的这种凹口，热电模块能够直接由第二流体溢流，该第二流体环流着扁管。因此有利地降低了热阻，因为不必通过额外的壁板进行热传递。此外，该凹口还可在热应力方面释放压力。

在本发明的优选实施例中可规定，该扁管构成为一体。

一体的扁管借助当前提供的生产措施容易且成本划算地制成。此外，一体化管子的优点是，接合位置的数量少，因此在接合位置之一上出现不密封的可能性低。

此外还适宜的是，扁管由多个基本上呈板状的元件以堆垛方式构成。

此外，多体的设计方式就置于扁管中的元件的安装而言是有利的。在扁管制成之前，首先能够安装置于扁管中的元件。借助基本上呈板状的元件的表述描述了这样的元件，即它与整体膨胀相比具有基本上呈板状的表面。在此一定能够规定，成角度的边缘区域连接到这些板状的表面上，或者设置连接到这些板状表面上的法兰区域。

根据另一备选的实施例优选的是，在流动通道的流动方向上看在热电模块之前和/或之后设置扩散器，它将流体导入流动通道中和/或从中导出。

通过将扩散器设置在热电模块之前和/或之后，通过流动通道流动的第一流体能够在进入流动通道之前集中，并且在从流动通道排出之后再次呈扇形散开。扩散器为此构成导入斜面。

通过该扩散器同样能够降低流体中的压力损失，因为通过扩散器能够确保扁管的横截面持续地无台阶地过渡到流动通道的横截面上。

此外，扩散器还使热电模块的侧面区域相对于第一流体在热量方面隔离开来。如果在面向流动通道的第一壁板和背向流动通道的第一壁板之间达到了尽可能大的温差，则达到了热电模块的最佳效果。热电模块的侧面区域借助第一流体的布局，降低了最大可能的温度差，这降低了热电装置的效率。

此外，扩散器还阻止了第一流体与热电模块和扁管之间的连接位置的直接接触，这对连接的疲劳强度是有利的。

布局方面的目的通过具有权利要求11特征的布局得以实现。

本发明的实施例涉及一个或多个热电装置在热交换器中的布局，其中流动通道可由第一流体穿流，并且该扁管在其背向流动通道的外部边界面上由第二流体绕流。

将热电装置设置在热交换器中，这是尤其简单的应用方式。该热电装置能够在热交换器的管底中容纳类似常见的、具有扁管的管子。在此，第一流体通过集流箱流入热电装置的流动通道中，该集流箱与管底相连。热电装置的外表面在此能够由第二流体绕流。

附图说明

本发明的有利的改进方案在从属权利要求和以下的附图描述中进行描述。

下面借助实施例且参照附图详细地阐述了本发明。在附图中示出了：

图1在拆分视图中示出了双体的扁管，其具有两个设置在它们之间的热电模块；

图2在透视图中示出了图1所示的元件的安装状态，其具有设置在热电模块之间的侧壁；

图3在两个透视图中示出了扩散器，在流动方向上看它能够在热电模块之前和/或之后设置在热电装置上；

图4示出了如图2所示的热电装置，其装有如图3所示的扩散器；

图5在剖面图中示出了沿着如图4所示的热电装置中的流动通道的中间平面；

图6在透视图中示出了具有热电元件的热电装置的备选实施例，这些热电元件与引导电桥相连并且设置在双体的扁管的内表面上；

图7示出了图6所示的具有盖子的热电装置的改进方案，该盖子与扁管的下方部件一起构成热电模块的壳体；

图8示出了图7的热电装置的备选实施例，其中盖子在其指向扁管的中间的壁板上具有凹口；

图9示出了图8的实施例的改进方案，其中该凹口供助密封元件液密地封闭；

图10示出了图6至图9的热电装置的改进方案，其具有扁管的上方部件以及盖子，这些盖子没有朝向流动通道的凹口；

图11示出了图10的热电装置的改进方案，其中在流动通道的内部设置有流动阻力元件；以及

图12在剖面图中示出了如图11所示的热电装置的流动通道的中间平面。

具体实施方式

图1示出了热电装置1的拆分视图。该热电装置1基本上由扁管8构成，该扁管由两个u形的扁管部件3构成。在这些u形的扁管部件3之间设置有热电模块2。这些热电模块基本上具有两个相互平行的第一壁板6、7。热电模块2的两个壁板7在此相互面对面。热电模块2的另外的壁板6相互背离地朝向热电装置1的外侧。

这两个u形的扁管部件3分别具有凹口5，它们被引入u形的扁管部件3的壁板4中。在安装状态下，热电模块2的壁板6分别与u形的扁管部件3的壁板4处于导热连接状态。为了将热电模块2与u形的扁管部件3连接起来，能够应用熔焊、粘贴或钎焊等方法。

图2示出了图1的处于最终组装状态的元件。可看到，这两个u形的扁管部件3在其棱边上重叠地摆放。在上方和下方的u形的扁管部件3之间的接合处，这两个元件彼此连接。这两个扁管部件3一起形成扁管8。

热电模块2在扁管8的内部借助其壁板6分别设置在壁板4上，它们分别构成u形扁管部件3的底部区域。这两个热电模块2在此从侧面通过侧壁9彼此连接。在图2的实施例的情况下，这些侧壁9通过弯成u形的元件构成。这两个侧壁9将两个热电模块2相互间隔开来。此外，通过侧壁9产生了热电模块2的液密连接，其结果是在热电模块2和侧壁9之间产生了流动通道10。

在热电模块2的左边和右边，在热电模块2和扁管8的内表面之间产生了中空腔。这些中空腔构成了朝外的热隔离，因此减少了朝向热电装置1的周围环境的热辐射。

尤其如果通过流动通道10引导的流体是更高温度的流体，则朝外的热隔离是受期望的，以便于在热电装置1的内部获得尽可能小的温度损失，并因此达到高的效率。

扁管8可例如由金属或陶瓷材料构成。在备选的实施例中，同样可实现扁管的一体化的设计方式。

图2的热电装置1为了实现根据本发明的应用用温差加载。为此，第一流体通过流动通道10引导，并且第二流体在此绕流热电装置1，并且尤其绕流具有凹口5的壁板4。第二流体因此直接通过热电模块2的壁板6流动。

第一流体和第二流体在此优选具有尽可能大的温差。有利的是，通过流动通道10流动的流体具有比第二流体更高的温度。其导致的后果是，热电模块2与扁管8的连接位置不是直接地由热流体加载，这对连接的耐久性有利。

图3示出了扩散器12的两个透视图。该扩散器12在所示的实施例中是深拉伸元件。扩散器12具有在横截面中逐渐变细的形状，其效果是，通过扩散器12流动的流体要么集中起来，要么呈扇状散开。

应用这种扩散器12足以在流体流入热电装置1时减少压差。目的在此尤其是，在扁管8的横截面和流动通道10的横截面之间产生了尽量均匀的且持续的连接。

此外，通过扩散器12达到了热隔离效果，因为通过热电装置1流动的流体不能抵达热电模块2的侧面壁板，因为扩散器将流体直接传递到流动通道10中。通过应用扩散器12，在扩散器和热电模块2的端面之间产生了中空腔，这些端面位于流体的流动方向上。中空腔在此具有额外的隔热效果。

因为热电模块2的效率尤其取决于在热电模块2的壁板6和壁板7之间存在的温差，因此尤其有利的是，在热电模块2的侧表面上未出现额外的热量输入

图4示出了已在图2中示出的热电装置1。附加地，扩散器12在图4中在流动方向上在热电模块2的前面安放在扁管8中。流体以这种方式在流入热电装置1时有选择性地引导到流动通道10中。在图4中没有示出第二扩散器12在流动通道的流出区域上的应用。由于已提到的原因，所述应用在该处也是有利的。

图5示出了热电装置1的中间平面的剖面图。在图5中可看到中空腔13，它在扩散器12和热电模块2之间在流入区域中产生。该中空腔13产生了热电模块2针对通过流动通道10流动的流体的温度的热隔离。

在热电模块2的内部设置有热电元件，它们通过引导电桥彼此电联接，并且分别与热电模块2的彼此相对而置的壁板6和7处于热接触状态。在图5中没有示出该热电元件及其引导电桥。

图6示出了热电装置的备选实施例。在图6中还没有完整地示出热电装置1的构造，但在下面的附图中逐步地完善了该构造并且补充成备选的实施例。

以下示出的实施例的扁管38同样通过两个u形的扁管部件24构成，它重叠地放置并且在其棱边的接合位置上彼此连接。

该u形的扁管部件24具有底部区域23，它通过壁板25构成。在该壁板25上设置有热电元件20。它们借助导通桥21彼此电联结。

图6所示的热电元件的数量是示例性的，在备选的实施例中同样可规定数量的朝上和朝下变化。

与图1至图5的实施例不同的是，热电模块39现在是一种不与扁管38单独构造的元件。热电模块39是扁管38的集成的组成部分。在以下附图中描述了热电模块39的精确构造。

在热电元件20的布局的左边和右边侧面，分别在u形扁管部件24的内部设置有侧壁22。这些侧壁22在u形的扁管构件24的棱边的内表面上与之相连，并且在最终装配状态下构成流动通道40的侧面边界。这些侧壁22这样成形，即它们在流动方向中在设置热电元件20之前和之后构成侧面的导入斜面28a。

图7示出了图6中的热电装置1的改进方案。除了图6以外，盖子27现在放置于热电元件20的上方并且与u形的扁管部件相连。该盖子27通过箱状的、在壁板25的方向上敞开的元件构成。

盖子27在其面向壁板25的区域上具有环绕的法兰区域30，它构成与壁板25的接触面。此外，盖子27具有圆锥形的横截面，它从壁板25开始朝壁板31逐渐变细，构成盖子27的底部并且随后构成流动通道40的上方或下方边界。为此，盖子27具有倾斜设置的侧壁。盖子27的倾斜侧壁构成上方或下方的进入斜面28b，它们位于流动通道40的流动方向上。这些侧壁22的导入斜面28a与盖子27的侧壁一起形成扩散器，该扩散器与图3至图5的扩散器12是类似的。

在盖子27的内部，热电元件20或导通桥21与盖子27的壁板31和u形扁管部件24的壁板25处于热接触状态。壁板31具有电连接位置29，热电元件20能够通过它们电接触。

热电模块39因此通过u形扁管部件的壁板25、盖子27、设置在它们之间的热电元件20以及导通桥21构成。

在与盖子27相接合的情况下，这些侧壁22现在在一侧上的u形扁管部件24的竖直棱边以及另一侧上的侧壁22和盖子27之间构成中空腔26。该中空腔26随后在最终装配状态下用来实现流动通道朝外的热隔离。并且降低了热电装置1的热辐射损失。

这些侧壁22还借助盖子27构成了导入斜面28a、28b，它们在热电装置1的流入区域中将流体集中在流动通道中，并且在流出区域中再次将该流体呈扇形散开。通过盖子27和侧壁22的成形产生了扩散器，它降低了流入区域和流出区域中的压力损失，并且额外地在热电元件20的侧表面和流入的流体之间形成了热隔离。

图8示出了与图7类似的构造。与图7不同的是，盖子27的壁板31现在额外地具有凹口32。

该凹口32在此用来接收由于热应力在壁板31中产生的力。这尤其有利地用来释放热电元件的压力，该热电元件设置在盖子27和壁板25之间并且与盖子27及壁板25处于导热接触状态。

由于随后通过流动通道40流动的流体以及从外面绕流热电装置1的流体之间的温度差，在热电装置中产生了热应力。热电元件20以及它的导通桥21对机械负载尤其敏感。因此有利的是，在很大程度上保护热电元件20免受机械影响。

热电装置1的损坏例如能够通过有利的尺寸设定来减轻。热电装置1的暴露在流体中的路段越长，则热电装置1的整体膨胀就越强烈。为了进一步将膨胀降至最低，有利的是，尤其在热电模块2、39的热侧面上应用具有低膨胀系数的材料。

除了限制热电装置1的构造尺寸以及所用的相应材料以外，还可应用上述的凹口或膨胀缝(即热电模块2、39的壳体的局部断开)作为第三种可行方案。

图9示出了热电装置的其它改进方案，如同在图8中示出的一样。除了盖子27的壁板31中的凹口32以外，在壁板31上设置密封元件33，以保护热电元件20免于接触随后通过流动通道40流动的流体。

密封元件33在此优选由薄壁的材料构成，因此它既能液密地封闭凹口32，也能保持足够高的灵活性，以便能降低出现的热应力。

在图9中密封元件33通过深拉伸的片材部件示出。在备选的实施例中，也可应用例如薄的金属薄片。密封元件同样也可设置在壁板31的背向流动通道39的侧面上。

图10示出了热电装置1的另一改进方案。在图10中第二u形的扁管部件24从上方安放在已由图7至9已知的结构上。该u形的扁管部件24在其接合位置处彼此连接，并且构成扁管38。

该上方的u形扁管部件24在内部在其壁板25上还具有热电元件20的布局，它们通过导通桥21彼此连接。在上方的u形的扁管部件24上还安放着盖子27，它与u形的扁管部件24一起构成用于热电元件20的壳体。上方u形的扁管部件24和下方u形的扁管部件24的构造是完全相对应的。

借助上方u形的扁管部件24和下方u形的扁管部件24，这些侧壁22现在既在热电装置1的流入区域也在流出区域中构成了由导入斜面28a、28b构成的完整的扩散器。

图10的热电装置1的扁管38因此除了从外面限定热电装置1以外，同时还是两个热电模块39的壳体的一部分，这些热电模块由盖子27和壁板25构成。

盖子27、u形扁管部件24以及侧壁22这些元件尤其由相同的材料构成，并且能够通过焊接、粘贴或钎焊等方法彼此连接。

在上方盖子27的壁板31和下方盖子27的壁板31以及侧面的侧壁22之间形成流动通道40。

热电装置的外部轮廓能够由在温度方面与第一流体不同的第二介质绕流。以这种方法在流动通道40的上方和下方壁板31和热电装置1的壁板25的外边界面之间产生了温度降。

图11示出了已在图10中示出的热电装置1的另一改进方案。此外，现在还在流动通道40中放置了流动阻力元件34。这些流动阻力元件34以图11所示的形式由材料带构成，舌状物35从该材料带弯出来。该材料带的边缘区域同样分开，并且伸进流动通道40中。这些材料带放置在壁板31的面向流动通道40的表面上，并因此伸进流动通道40中。与图11所示的流动阻力元件34不同的是，也可应用常规的筋条结构。

在应用备选的筋条结构时应注意，在流动通道40内的流体和盖子27下方的热电元件20之间产生尽可能小的热阻。

图12在剖面图中示出了已在图11中示出的热电装置1的流动通道40的中间平面。在图12中可尤其良好地看到热电装置1的堆垛状构造。在下方的u形扁管部件24的下方壁板25上设置有多个热电元件20，它们与导通桥21彼此电联结。

热电元件因此与u形的扁管部件24的外部壁板25处于导热接触状态。热电元件的上方边界通过盖子27或通过盖子27的壁板31构成，它通过其环绕的法兰区域30与u形的扁管部件24的底部区域的壁板25相连。

热电装置的图12所示的上方区域构造得与下方区域类似。在流动通道40中设置有流动阻力元件34，如同已在图11中示出的一样，该流动通道在壁板31和侧壁22之间形成。

Claims (6)

1.一种热电装置(1)，包括：扁管(8、38)、第一热电模块(2、39)以及第二热电模块(2、39)，其中热电模块(2、39)分别具有带至少两个相对而置的第一壁板(6、7、25、31)的壳体，其中在壳体的第一壁板(6、7、25、31)之间设置多个热电元件(20)，其中这些热电元件(20)具有相对而置的表面，这些表面分别与热电模块(2、39)的壳体的第一壁板(6、7、25、31)中的一个处于热接触状态，其特征在于，扁管(8、38)具有至少两个相对而置的第二壁板(4、25)，其中热电模块(2、39)设置在扁管(8、38)的内部，并且借助其第一壁板(6、7、25、31)中的一个与扁管(8、38)的第二壁板(4、25)处于热接触状态，并且热电模块(2、39)通过侧壁(9、22)与第二壁板相连，其中它们在热电模块(2、39)的壳体和侧壁(9、22)之间构成了流动通道(10、40)，该流动通道可由第一流体穿流；热电模块(2、39)的壳体的面向流动通道(10、40)的第一壁板(7、31)具有第一凹口(32)，其中该第一凹口(32)借助密封元件(33)液密地封闭；在流动通道(10、40)的流动方向上看在热电模块(2、39)之前和/或之后设置扩散器(12)，它将流体引导到流动通道(10、40)和/或从中引出，所述扩散器(12)具有在横截面中逐渐变细的形状，在扁管(8)的横截面和流动通道(10)的横截面之间产生了均匀的且持续的连接，进而在扩散器(12)和热电模块(2)的端面之间形成中空腔；壳体的背向流动通道(10、40)的第一壁板(6、25)和扁管(38)的第二壁板(4、25)构成为一个单元，扁管(8、38)的第二壁板(4、25)具有第二凹口(5)，第二流体因此直接通过热电模块(2)的背向流动通道(10、40)的第一壁板(6，25)流动。

2.根据权利要求1所述的热电装置(1)，其特征在于，热电模块(2、39)的壳体的面向流动通道(10、40)的第一壁板(7、31)具有流动阻力元件(34)，其中该流动阻力元件伸进流动通道(10、40)中。

3.根据权利要求1所述的热电装置(1)，其特征在于，这些侧壁(9、22)构成热退耦元件。

4.根据权利要求1所述的热电装置(1)，其特征在于，热电元件(20)通过引导电桥(21)串联，其中引导电桥(21)设置在热电元件(20)和壳体的第一壁板(6、7、25、31)之间。

5.根据权利要求1所述的热电装置(1)，其特征在于，扁管(8、38)构成为单体的。

6.根据权利要求1所述的热电装置(1)，其特征在于，扁管(8、38)由多个基本上呈板状的元件以堆垛方式构成。