DE102010061247B4

DE102010061247B4 - Verfahren zur Herstellung eines in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs einsetzbaren thermoelektrischen Generators

Info

Publication number: DE102010061247B4
Application number: DE102010061247.2A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Andres; Sven Przybylski; Tobias Dupmeier
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2018-02-15
Anticipated expiration: 2030-12-16
Also published as: US20120151747A1; DE102010061247A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs einsetzbaren thermoelektrischen Generators (1) mit mehreren in einem Gehäuse (2) angeordneten rohrförmigen thermoelektrischen Modulen (7), bestehend aus Außenrohren (4), Innenrohren (6), p- und n-dotierten thermoelektrischen Elementen (61, 62) und Außenringen (5), wobei die thermoelektrischen Modulen (7) stirnseitig durch Rohrböden (3) voneinander getrennt sind, wobei nach den Verfahrensschritten a) Gasdichtes Verbinden der Außenrohre (4) mit dem Gehäuse (2) und den Rohrböden (3), b) Aufbringen einer elektrisch isolierenden Beschichtung (41) auf die Innenflächen der Außenrohre (4), in einem anschließenden Verfahrensschritt ein c) Einschieben der Innenrohre (6) mit den p- und n-dotierten thermoelektrischen Elementen (61, 62) und Außenringen (5) in die Außenrohre (4), erfolgt, gefolgt von einem Verfahrensschritt d) Aufschrumpfen der Außenrohre (4) auf die Innenrohre (6), an den sich ein e) Gasdichtes Verbinden der Außenringe (5) mit den Außenrohren (4) anschließt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs einsetzbaren thermoelektrischen Generators.
Bei der Konzipierung energieeffizienter Kraftfahrzeugkonzepte gewinnen thermoelektrische Generatoren (TEG) zur Energiegewinnung im Abgasstrang von Kraftfahrzeugen zunehmend an Bedeutung.
Beispielsweise beschreibt die DE 10 2006 039 024 A1 als Ringelemente ausgeführte thermoelektrische Generatoren, die das Abgaberohr eines Abgasstranges umfänglich umschließen. Dabei sind mehrere Thermoelemente in axialer Richtung des Abgaberohres hintereinander angeordnet. Bei entsprechender Dimensionierung der thermoelektrischen Generatoren können mehrere der in obiger Druckschrift beschriebenen thermoelektrischen Generatoren in einem Rohrbündel zusammengefasst werden, wie es beispielsweise in der DE 10 2006 019 282 A1 beschrieben ist. In dieser Schrift wird ein aus thermoelektrischen Generatoren bestehendes Rohrbündel zur Energierückgewinnung in der Abgasrückführung verwendet.
Bei der Herstellung solcher thermoelektrischer Generatoren, insbesondere bei der Bündelung solcher TEG-Rohre zu einem Rohrbündel müssen stets die für die thermoelektrischen Materialien maximal zulässigen Prozesstemperaturen berücksichtigt werden. Die maximal zulässige Prozesstemperatur wird dabei um einen durch die Schmelztemperatur der eingesetzten Lote zur elektrischen und thermischen Kontaktierung der thermoelektrischen Materialien und zum anderen durch die Temperaturbeständigkeit der thermoelektrischen Materialien selbst begrenzt. Aufgrund ihrer Temperaturempfindlichkeit lassen sich die oben beschriebenen thermoelektrischen Module mit herkömmlichen thermischen Verfahren wie beispielsweise durch Vakuumlöten mittels Nickel-Basis-Loten nicht verarbeiten. Daher muss die Abfolge der einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung entsprechender thermoelektrischer Generatoren auf die oben genannten Randbedingungen abgestimmt werden.
Aus der US 3 601 887 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines einzelnen hohlzylindrischen thermoelektrischen Elements bekannt, bei dem eine elektrisch isolierende Beschichtung auf die Innenflächen eines Außenrohres aufgebracht wird, ein Innenrohr mit thermoelektrischen Elementen und Außenringen in das Außenrohr eingeschoben und anschließend das Außenrohr heiß mit dem Innenrohr verpresst wird. In die Enden des Außenrohrs werden elektrische Verbindungsklemmen eingesetzt. Das Heißverpressen der Außenringe mit den Außenrohren ist außerdem aus der US 2009/0 301 541 A1 bekannt.
Aus der DE 10 2008 058 779 A1 ist bekannt, Stützelemente als Abdichtung zwischen Außenrohren eines thermoelektrischen Generators und einem Gehäuse zu nutzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs einsetzbaren thermoelektrischen Generators bereitzustellen, mit dem sich in einfacher Weise thermoelektrische Generatoren, bestehend aus mehreren rohrförmigen thermoelektrischen Modulen herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines in einem Abgasstrang in einem Kraftfahrzeug einsetzbaren thermoelektrischen Generators mit den in Anspruch 1 angegeben Verfahrensschritten gelöst.
Erfindungsgemäß werden zunächst Außenrohre mit einem Gehäuse des thermoelektrischen Generators und mit Rohrböden gasdicht verbunden. Anschließend wird eine elektrisch isolierende Beschichtung auf die Innenfläche der Außenrohre aufgebracht. Daraufhin werden Innenrohre mit p- und n-dotierten thermoelektrischen Elementen an Außenringe in die Außenrohre eingeschoben. Danach werden die Außenrohre auf die Innenrohre aufgeschrumpft, und schließlich werden die Außenringe mit den Außenrohren gasdicht verbunden. Bei dieser Verfahrensabfolge erfolgt der Fertigungsschritt mit der höchsten Prozesstemperatur zuerst. Die thermoelektrischen Materialien und Lote der thermoelektrischen Module erfahren in den anschließenden Verfahrensschritten eine geringe oder gar keine Temperaturbelastung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Außenrohre mit dem Gehäuse durch Löten in einem Vakuum oder Durchlaufofen mittels Nickel-Basis-Loten bei Temperaturen im Bereich von etwa 1.080°C verbunden.
Die Außenrohre werden gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante durch Beaufschlagung mit einem Arbeitsdruck hydraulisch aufgeschrumpft.
Zur Vermeidung einer Verformung des Gehäuses und der Rohrböden beim hydraulischen Aufschrumpfen werden vorzugsweise das Gehäuse und die Rohrböden von außen mechanisch oder hydraulisch abgestützt.
Gemäß einem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs einsetzbaren thermoelektrischen Generators wird zunächst das Gehäuse vorgefertigt. Anschließend werden die Innenmodule vorgefertigt. Die Innenmodule bestehen dabei aus Außenrohren, Innenrohren mit p- und n-dotierten thermoelektrischen Elementen, Außenringen, funktionalen Zwischenschichten sowie den Rohrböden. In einem anschließenden Verfahrensschritt wird dieses zuvor zusammengesetzte Innenmodul in das Gehäuse eingeschweißt. Der Vorteil dieser alternativen Lösung liegt im Einsatz eines Lötverfahrens mit einem geringen Wärmeeintrag. Die vorgefertigten thermoelektrischen Module können anschließend direkt verschweißt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante dieses Verfahrens wird das Gehäuse durch Löten oder durch Laserschweißen gefertigt. Insbesondere erfolgt das Einschweißen des Innenmoduls in das Gehäuse durch gepulstes Laserschweißen.
Um das Verschweißen der Außenrohre mit dem Rohrboden zu gewährleisten, macht der Laser gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils eine Drehung größer als 360°, insbesondere zwischen 365° und 380° aus. Auf diese Weise überlappen die Anfangs- und Endzone der Schweißung.
Nachfolgend werden Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 bis 5 eine schematische Darstellung der Abfolge der einzelnen Verfahrensschritte gemäß einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens und
6 bis 8 eine schematische Darstellung der Abfolge der Verfahrensschritte gemäß einer alternativen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position des thermoelektrischen Generators und dessen Bestandteilen. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, d. h. durch verschiedene Arbeitsstellungen oder dergleichen können sich diese Bezüge verändern.
Die 1 bis 5 zeigen schematisch eine Abfolge einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs einsetzbaren thermoelektrischen Generators 1. Der thermoelektrische Generator 1 besteht dabei im Wesentlichen aus einem Gehäuse 2, in dem mehrere thermoelektrische Module 7 angeordnet sind. Die thermoelektrischen Module weisen Außenrohre 4, Innenrohre 6, p- und n-dotierte thermoelektrische Elemente 61, 62 sowie Außenringe 5 auf, wobei die einzelnen thermoelektrischen Module 7 stirnseitig durch Rohrböden 3 voneinander getrennt sind.
Wie in 1 gezeigt ist, werden in einem ersten Verfahrensschritt die Außenrohre 4, die bevorzugt aus dünnwandigen Edelstahlröhrchen mit einer Randdicke von vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,3 mm bestehen mit dem Gehäuse 2 und stirnseitig das Gehäuse abschließenden Rohrböden 3 gas- und wasserdicht verbunden. Diese Verbindung erfolgt vorzugsweise in einem Lötprozess in einem Vakuum- oder Durchlaufofen mittels Nickel-Basis-Loten bei Temperaturen im Bereich von etwa 1.080°C.
Die Außenrohre werden in einem anschließenden Verfahrensschritt auf ihrer Innenseite mit einer elektrischen Isolation 41 beschichtet, wie es in 2 gezeigt ist.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Innenrohre 6, die mit p- und n-dotierten thermoelektrischen Elementen 61, 62 sowie an den Enden angeordneten Außenringen 5 versehen sind, in die Außenrohre 4 eingeschoben. Die Beschichtung der Innenrohre 6 mit den thermoelektrischen Elementen 61, 62 und die Einbringung der Außenringe 5 an den stirnseitigen Enden der Innenrohre geschieht dabei in einem separaten Verfahrensschritt. Das Einbringen der so gefertigten Innenrohre 6 in die Außenrohre 4 ist in 3 dargestellt.
In einem anschließenden Verfahrensschritt werden die Außenrohre 4 durch Beaufschlagung mit einem Arbeitsdruck hydraulisch auf die Innenrohre aufgeschrumpft, wie es in 4 dargestellt ist.
Dazu wird in einer bevorzugten Ausführungsvariante ein geeignetes Wirkmedium über die Anschlussstutzen 21, 22 in den Raum zwischen den Außenrohren 4 und der Gehäusewand 2 eingebracht. Der hier eingebrachte notwendige Arbeitsdruck liegt dabei vorzugsweise im Bereich zwischen 200 und 350 bar.
Um eine Verformung des Gehäuses 2 oder der Rohrböden 3 infolge dieses eingebrachten Arbeitsdruckes zu vermeiden, wird das Gehäuse 2 und die Rohrböden 3 gemäß einer Ausführungsvariante mechanisch von einer das Gehäuse und die Rohrböden umgebenden Vorrichtung abgestützt.
Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante wird auch das Gehäuse 2 und die Rohrböden 3 von der Außenseite her mit einem zumindest annähernd gleich hohen Druck beaufschlagt. In diesem Fall müssen die thermoelektrischen Module 7 an ihren Stirnseiten abgedichtet werden, um ein Eindringen des den Arbeitsdruck ausübenden Wirkmediums in einen Spalt zwischen dem Außenring 5 und dem jeweiligen Außenrohr 4 zu verhindern. Um dies zu verhindern, ist es denkbar, O-Ringe mit einer hinreichenden Härte einzusetzen, die aufgrund ihrer Härte nicht in den Spalt zwischen Außenring 5 und Außenrohr 4 gepresst werden können. Der Spalt zwischen dem Außenrohr 4 und dem geschobenen Innenrohr 6 muss dabei so dimensioniert sein, dass eine plastische Verformung der Außenrohre 4 durch das Aufschrumpfen erfolgen kann. Denkbar ist auch die Verwendung kompressibler Zwischenschichten oder kompressibler thermoelektrischer Materialien. In diesem Fall kann auf den Spalt zwischen Außenrohr 4 und Außenring 5 verzichtet werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt der oben dargestellten 5 erfolgt eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Außenringen 5 und den diese umschließenden Außenrohren 4, um die in den Innenrohren 6 eingebrachten thermoelektrischen Materialien 61, 62 vor einem Eindringen von Bestandteilen des Abgases oder einem auftretenden Abgaskondensat zu schützen. Im Falle des Einsatzes von thermoelektrischen Materialien, welche nicht einer Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt werden dürfen, muss überdies dafür gesorgt werden, dass der Kontakt der thermoelektrischen Materialien mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft über den gesamten Fertigungszeitraum unterbunden wird.
Gemäß einer besonderen Ausführungsvariante werden die Außenringe 5 abschließend mit den Außenrohren 4 mechanisch verpresst, wie es in 5 gezeigt ist, wobei darauf zu achten ist, dass die elektrische Isolation 41 auf den Innenseite der Außenrohre 4 nicht zerstört wird. Im Falle der mechanischen Verpressung der Außenringe 5 mit den Außenrohren 4 kann gegebenenfalls auf eine stoffschlüssige Verbindung der Außenrohre 4 mit den Außenringen 5 verzichtet werden.
Ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs einsetzbaren thermoelektrischen Generators 1 wird im Folgenden anhand der 6 bis 8 erläutert. Bei diesem Verfahren werden zunächst die rohrförmigen thermoelektrischen Module, bestehend aus Außenrohren 4, Innenrohren 6, Außenringen 5, thermoelektrischen Elementen 61, 62 sowie verschiedenen funktionalen Zwischenschichten mittels eines Laserschweißverfahrens, vorzugsweise ohne Zusatzwerkstoff vorgefertigt und anschließend in ein vorgefertigtes Gehäuse 2 eingeschweißt. Dabei wird das Gehäuse 2 bevorzugt in einem Lötprozess oder alternativ mittels Laserschweißen gefertigt, wie es in 6 und 7 gezeigt ist.
Das Anschweißen der vorgefertigten thermoelektrischen Module 8 erfolgt bevorzugt mit einem gepulsten Laser, da diese Art von Lasersystemen kurze energiereiche Pulse bei hoher Pulsleistung ermöglicht. Durch den Einsatz solcher Lasersysteme wird zum einen gewährleistet, dass der Wärmeeintrag in die thermoelektrischen Module 8 sehr gering ist und damit die thermoelektrischen Materialien 61, 62 bzw. die Zwischenschichten thermisch nicht beschädigt werden. Zum anderen können mit einem solchen Schweißverfahren kleine Schweißzonen realisiert werden, mit denen die Außenrohre 4, welche, wie oben bereits beschrieben, gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante eine Wanddicke von 0,1 bis 0,3 mm aufweisen, prozesssicher verschweißt werden, ohne ein Durchschweißen der dünnwandigen Außenrohre 4 zu riskieren. Bei geeigneten Schweißparametern liegt die maximale Temperatur auf der Innenseite der Außenrohre 4 unterhalb von 250°C.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante führt der Laser bei der Verschweißung der Außenrohre 4 mit dem Rohrboden 3 eine Drehung von größer als 360° aus, um eine Überlappung der Anfangs- und Endzone der Verschweißung zu erreichen. Bevorzugt führen die Laser dabei eine Drehung von 365° bis 380° aus.
Gemäß einer nochmals alternativen Ausführungsvariante können in einem ersten Schritt die Rohrböden 3 mit den thermoelektrischen Modulen 8 verschweißt werden und anschließend gemeinsam in das Gehäuse 2 eingebracht werden, wie es in 8 dargestellt ist. In diesem Fall müssten die Rohrböden 3 mittels eines Schweißverfahrens mit geringem Wärmeeintrag mit dem Gehäuse 2, beispielsweise durch Laserschweißen, gegebenenfalls mit gepulstem Laser verschweißt werden.
Bezugszeichenliste

1: Thermoelektrischer Generator
2: Gehäuse
3: Rohrböden
4: Außenrohre
5: Außenring
6: Innenrohre
7: Thermoelektrische Module
8: Thermoelektrische Module
21: Anschlussstutzen
22: Anschlussstutzen
41: Elektrische Isolation
61: p- und n-dotierte thermoelektrische Elemente
62: p- und n-dotierte thermoelektrische Elemente

Claims

Verfahren zur Herstellung eines in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs einsetzbaren thermoelektrischen Generators (1) mit mehreren in einem Gehäuse (2) angeordneten rohrförmigen thermoelektrischen Modulen (7), bestehend aus Außenrohren (4), Innenrohren (6), p- und n-dotierten thermoelektrischen Elementen (61, 62) und Außenringen (5), wobei die thermoelektrischen Modulen (7) stirnseitig durch Rohrböden (3) voneinander getrennt sind, wobei nach den Verfahrensschritten a) Gasdichtes Verbinden der Außenrohre (4) mit dem Gehäuse (2) und den Rohrböden (3), b) Aufbringen einer elektrisch isolierenden Beschichtung (41) auf die Innenflächen der Außenrohre (4), in einem anschließenden Verfahrensschritt ein c) Einschieben der Innenrohre (6) mit den p- und n-dotierten thermoelektrischen Elementen (61, 62) und Außenringen (5) in die Außenrohre (4), erfolgt, gefolgt von einem Verfahrensschritt d) Aufschrumpfen der Außenrohre (4) auf die Innenrohre (6), an den sich ein e) Gasdichtes Verbinden der Außenringe (5) mit den Außenrohren (4) anschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Außenrohre (4) mit dem Gehäuse (2) durch Löten in einem Vakuum- oder Durchlaufofen mittels Nickel-Basisloten bei Temperaturen im Bereich von etwa 1080°C verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Außenrohre (4) durch Beaufschlagung mit einem Arbeitsdruck hydraulisch aufgeschrumpft werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Arbeitsdruck im Bereich von 200 bis 350 bar liegt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei zur Vermeidung einer Verformung des Gehäuse (2) und der Rohrböden (3) beim hydraulischen Aufschrumpfen das Gehäuse (2) und die Rohrböden (3) von außen mechanisch oder hydraulisch abgestützt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum gasdichten Verbinden der Außenringe (5) mit den Außenrohren (4) die Außenringe (5) mit den Außenrohren (4) stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum gasdichten Verbinden der Außenringe (5) mit den Außenrohren (4) die Außenringe (5) mit den Außenrohren (4) mechanisch verpresst werden.
Verfahren zur Herstellung eines in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs einsetzbaren thermoelektrischen Generators (1) mit mehreren in einem Gehäuse (2) angeordneten rohrförmigen thermoelektrischen Modulen (7), bestehend aus Außenrohren (4), Innenrohren (6), p- und n-dotierten thermoelektrischen Elementen (61, 62) und Außenringen (5), wobei die thermoelektrischen Modulen (7) stirnseitig durch Rohrböden (3) voneinander getrennt sind, aufweisend die Verfahrensschritte: a) Vorfertigen des Gehäuses (2) b) Vorfertigen eines aus Außenrohren (4), Innenrohren (6) mit p- und n-dotierten thermoelektrischen Elementen (61, 62), Außenringen (5), funktionalen Zwischenschichten und Rohrböden (3) bestehenden rohrförmigen Innenmoduls (8), die Rohrböden (3) mit den Außenrohren (4) verbunden werden, c) Einschweißen des Innenmoduls (8) in das Gehäuse (2).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Gehäuse (2) durch Löten oder durch Laserschweißen gefertigt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Einschweißen des Innenmoduls (8) in das Gehäuse (2) durch gepulstes Laserschweißen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei beim Verschweißen der Außenrohre (4) mit dem Rohrboden (3) der Laser eine Drehung von mehr als 360° ausführt.