JP2012533972A - 管束を備える熱電デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、入口（３）および出口（４）を有する少なくとも１つの排気ライン（２）を備える熱電デバイス（１）（ＴＥＧ：熱電発電器）であって、少なくとも１つの第１の管束（５）が熱電発電器モジュール（６）であり、熱電発電器モジュール（６）における排気ライン（２）は管（８）の外面（７）によって形成され、少なくとも１つのさらなる管束（１０）が熱交換器（１１）であり、熱交換器（１１）における排気ライン（２）は管（８）の内面（１２）によって形成される、熱電デバイス（１）に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガスのための入口および出口を備える少なくとも１つの排気ラインを有する熱電デバイスに関する。この熱電デバイスは特に、内燃エンジンの排気ガスから電気エネルギーを生成するための機能を果たす。この種類の熱電デバイスはまた、熱電発電器（ＴＥＧ）としても公知である。

自動車の内燃エンジンからの排気ガスは、例えばエネルギー貯蔵部に充填するため、および／または必要とされるエネルギーを電気消費部に直接供給するために、上記種類の熱電デバイスによって電気エネルギーに変換され得る熱エネルギーを有する。従って、自動車は、より高いエネルギー効率で作動し、より多くの量のエネルギーが自動車の作動に利用可能となる。

上記種類の熱電デバイスは、複数の熱電変換素子を少なくとも有する。この目的のための熱電材料は、それらが、上記熱エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換できる（ゼーベック効果）およびその逆に変換できる（ペルチェ効果）ような種類である。「ゼーベック効果」は、熱エネルギーの電気エネルギーへの変換の現象に基づき、熱電エネルギーを生成するために使用される。「ペルチェ効果」は「ゼーベック効果」の逆であり、熱吸着に関連する現象であり、その原因は、異なる材料を介する電流に関連する。両方の効果は知られているので、より詳細な説明はここで必要としない。

この種類の熱電変換素子は、好ましくは、いわゆる高温側（作動中、高温がここに広がる）といわゆる低温側（作動中、比較的低温がここに広がる）との間に配置される複数の熱電素子を有する。熱電素子は、導電性ブリッジとともに、それらの上側および下側に交互に設けられる（高温側と低温側がそれぞれ対向する）少なくとも２つの半導体素子（ｐドープおよびｎドープ）を含む。セラミックプレートまたはセラミックコーティングおよび／または類似材料は、金属ブリッジを隔離するのに役立つので、好ましくは、金属ブリッジの間に配置される。半導体素子の両側に温度勾配が与えられる場合、電位が形成される。ここで、熱は第１の半導体素子の高温側に吸収され、一方の側の電子が、続く半導体素子のエネルギー的に高い伝導バンドを通過する。次いで、低温側で、電子はエネルギーを放出し、低いエネルギーレベルで後の半導体素子を通過する。従って、高温側と低温側との間に対応する温度勾配が与えられると、電流が生成され得る。

上記種類の熱電デバイスの潜在用途は、自動車における排気ガス再循環（ＡＧＲまたはＥＧＲ：排気ガス再循環）システムである。ここで、内燃エンジンにおいて生成される排気ガスの一部は、最終的に従来の排気システムに導かれるが、後で再び内燃エンジンに分岐し、内燃エンジンに供給される。内燃エンジンの有効性および排気ガス中の汚染物質の減少に関して、従来は再循環した排気ガスを冷却していた。従って従来は、排気ガス再循環システムの領域に熱交換器が設けられ、その熱交換器によって高温の排気ガスが冷却される。ここで、しかしながら、特に高い要求が、上記種類の熱電デバイスに課せられなければならない。なぜなら、通常、非常に狭い設置スペースのみが利用可能だからである。これは、特に、十分な熱交換が熱電変換素子に実現されなければならず、一方で同時に所望の冷却作用を達成しなければならないという困難性を伴う。

これらのことを出発点として考慮して、本発明の目的は、従来技術に関して明らかとなった問題を少なくとも部分的に解決することである。特に高レベルの効率を有し、特にまた、再循環した排気ガスの適切な冷却を保証する熱電デバイスを特定することを目的とする。また、この目的のために特に適切な作動方法を特定することも目的とする。

この目的は、請求項１に係る熱電デバイスによって達成される。本発明に係る装置ならびに適切な作動方法および適用の有益な実施形態は、従属請求項に特定される。請求項において個々に特定される特徴は、任意の所望の技術的に有益な方法で互いに組み合わされてもよく、本発明のさらなる実施形態を形成してもよいことは留意すべきである。特に、図面と併せた詳細により、本発明をさらに説明し、本発明のさらなる例示的な実施形態を特定する。

本発明による熱電デバイスは、入口および出口を有する少なくとも１つの排気ラインを有し、
少なくとも１つの第１の管束が熱電発電器モジュールであり、熱電発電器モジュールにおける排気ラインが、管の外面によって形成され、
少なくとも１つのさらなる管束が熱交換器であり、熱交換器における排気ラインが、管の内面によって形成される。

従って、言い換えれば、前記熱電デバイスは、特に、管束を通過するまたは管束を介する排気ガスの誘導により特徴付けられる。ここで、熱電デバイスは、例えばまた、対応する固定ピースによって互いに接続される複数のモジュールを有することが好ましい。従って、排気ラインは、最初に、外側ハウジングおよび管の外面によって、１つのモジュールにおいて形成されるが、前記排気ラインは、別のモジュールにおいて、管の内面のみによって形成される。従って、特に、排気ラインまたはその構造物の数は、異なるモジュールにおいて異なってもよい。

特に、熱電デバイスへの排気ラインの入口の後に形成される第１の管束は、熱電発電器モジュールである。言い換えれば、これは、前記第１の管束が、電気エネルギーを生成するために、導入部分で説明した半導体素子を有して形成されることを意味する。ここで、排気ガスは、高温の排気ガスから管への十分な熱伝導を可能にするように、第１の管束の外側に沿って誘導される。すなわち特に、第１の管束への排気ガスの均一な流入が実現される。適切な場合、高い熱伝導についての測定もまた、ここで実施されてもよい。第１の管束の管への熱の十分な導入は、管の大部分にわたる管の周囲または管を通過する高温排気ガスの流れの結果として実現される。熱電発電器モジュールにおいて、冷却剤は管の内側を流れ、作動の間、管の外面と管の内面との間の「ゼーベック効果」に必要とされる温度勾配が特に示される。半導体素子は、前記管の外面と管の内面との間に配置される。従って、第１の管束はまた、熱交換器の機能を果たすことは自明であるが、同時にまたは主に、熱電機能も果たす。

排気ガスが、最初に第１の管束にわたって、排気ラインに沿って流れた後、最終的に、排気ガスは、熱交換器（のみ）を形成するさらなる管束に供給される。ここで、排気ラインは、管の内面によって形成される。すなわち言い換えれば、ここで、排気ガスは、管自体を通して誘導される。この場合、冷却剤が、熱交換器の管上または管の周囲に流れるので、排気ガスの特に効果的な冷却が、ここで可能となる。なぜなら、冷却剤は、管の大部分の外面にわたって熱エネルギーを消散させ得るからである。

完全性の目的のためだけに、ここで、「管束」および「管」の語は、必ずしも円筒形状の管を指すわけではないことに留意されるべきである。特に、任意の所望の流れ断面が実現されてもよく、管はまた、部分的に共通の壁で形成されてもよい。「管束」は、特に、外側チャネル壁および内側チャネル壁（ここで、外側チャネル壁は内側チャネル壁より大きい）を有するチャネルの集合を意味すると理解されるべきである。従って、このような管束はまた、ハニカム構造、プラグ型の構造などとして実現され得る。

いずれの場合にも、一方の側での熱電発電器モジュール周囲の排気ガスの流れおよび他方の側での熱交換器を通る排気ガスの流れの結果として、特に、排気ガスから熱電コンバータ素子まで、または冷却剤から排気ガスまでのいずれかの十分な熱移動が実現され、その結果、両方のモジュールが特に効果的に作動し、従って、比較的少しの容積で形成されることができる。これは、空間を節約する熱電デバイスを実現する要求を満たす。

本発明の一実施形態において、少なくとも２つの管束は、熱電発電器モジュールとして形成され、出口の単一の管束は熱交換器として形成されることもまた提案される。従って、熱電デバイス内の入口の下流で、排気ガスは、最初に、熱電発電器モジュールの形態の第１の管束、次いで、熱電発電器モジュールの形態の第２の管束、および最終的に、熱交換器の形態の第３の管束を流れ、その後、前記排気ガスは、最終的に、出口を介して熱電デバイスから出る。このような熱電デバイスにより、熱電デバイス内の入口の下流で、２つの熱電発電器モジュールを、別々にまたは互いに独立して異なる排気ガス温度に適合させることができ、ここで、例えば異なる管束、半導体素子などが使用され得る。下流の熱交換器に関して、次いで排気ガスは、内燃エンジンまでの排気ガス再循環に必要とされる低温に非常に急速になる。

さらに、管束についての共通の冷却回路を設けることは有益であるとみなされ、冷却回路の接続部は熱交換器を形成する管束に接続され、冷却回路の流出口は熱電発電器モジュールを形勢する少なくとも１つの管束に接続される。前記冷却回路はまた、エンジン冷却システムの一部であるか、またはエンジン冷却システムに接続される。全体として熱電デバイスに関して、対向する流れの原理の形態を実現することが好ましく、それにより、冷却剤は出口領域に供給され、入口領域において再び放出される。個々のモジュールに関して、特に、冷却は、対向する流れの原理に従う部分で行われる。すなわち、排気ガスおよび冷却剤はモジュール内で互いに対して垂直に流れる。具体的には、複数の管束が熱電発電器モジュールとして使用される場合、冷却剤を全ての管束に等しく供給することが可能である。すなわち、適切な場合、並行して、冷却剤をまた再度、等しく抽出する。基本的に、管束のうちの少なくとも１つを冷却回路から分離するために、少なくとも１つの分岐ラインおよび／または制御手段を設けてもよく、これは、例えば、熱電デバイスの出口におけるさらなる冷却がもはや必要とされないと検出された場合に、熱交換器のために行われる。冷却剤として、特に水が使用される。

熱電デバイスにおいて、熱電発電器モジュールを形成する管束の管の少なくとも数またはその管の内径は、熱交換器を形成する管束の管の数またはその管の内径より少ないことが有益であると見出されている。すなわち言い換えれば、管の数および／または管の内径は、熱交換器におけるよりも熱電発電器モジュールにおいて少ない。管のこの構造はまた、最初に、冷却剤から排気ガスまでの異なる熱伝導効果を促進し、そしてまた、排気ガスから熱電コンバータ素子までの熱伝導効果を促進する。

熱電発電器モジュールにおける管の数は、例えば５〜３０、特に１２〜２４である。同様に、５〜１５ｍｍ［ミリメートル］の範囲の内径がここで好ましい。

対照的に、管の数が１０〜６０の範囲であり（特に熱電発電器モジュールにおけるより多く、例えば熱交換器は特に好ましくは、少なくとも３０の２倍または３０に等しい管を含む）、管の内径は好ましくは、８〜２０ｍｍである、熱交換器の構造が有益であることが証明されている。

熱電発電器モジュールにおける管の内径を減少させることは、内部で起こる熱伝導の熱伝導係数α［アルファ］を有益に増加させる。同じ管の直径を維持しながら、管の数を減少させることもまた、内部での熱伝導係数αを増加させる。ここで、熱伝導係数αは、管の表面からのエネルギーを消失させるか、または表面へエネルギーを放出する気体または液体の能力を示す。前記熱伝導係数αは、とりわけ、熱消散媒体および熱送達媒体の比熱容量、密度および熱伝導率に依存する。熱伝導係数は、通常、関与する媒体の温度差によって計算される。熱伝導率と対照的に、熱伝導係数αは物質定数というよりむしろ、ある環境の場合、管と接触する流体の流速または流れの種類（層流または乱流）に非常に依存する。従って、上記の値は、特に、自動車における使用を意図されるようなデバイスに関連し、デバイスを流れる排気ガスの望ましくない高圧損失が同様に回避される。

熱電デバイスのなおさらなる実施形態によれば、熱電発電器モジュールを形成する管束の管は、熱交換器を形成する管束の管とは、排気ガスの流れ方向に対して異なって配置される。これは好ましくは、熱電デバイスを通る排気ガスの流れ方向が不均一になる管束の構造を生じる。これは、管が流れ方向に対して垂直に配置される熱電発電器モジュールを有する部分における場合であるが、そこで、排気ガスは、管の外面上および管の間に誘導され、排気ガスが管束の管に侵入する熱交換器を有する部分における場合、次いで、排気ガスの流れ方向に平行に配置される。従って、特に、熱電デバイスを流れる場合、排気ガスの圧力損失は低いままであり得る。

ここで記載する本発明による熱電デバイスの動作に関して、好ましくは、排気ガスが、最初に、発電器モジュールを形成する複数の管束の外側を通過して誘導され、次いで、熱交換器を形成する管束の管を通して誘導されるとみなされる。従って、排気ガスは、最初に、発電器モジュールにおいて冷却剤誘導管の周囲を流れ、次いで、冷却剤は、排気ガスが誘導される管の周囲を流れる。この流れの挙動により特に、十分な熱伝導が生じるので、発電器モジュールおよび熱交換器としての効率が増加する。

前記方法において、熱交換器として形成される管束を流れる冷却剤は変化することが特に有益であるとみなされる。結果として、熱交換器を流れる冷却剤はまた、特に、再循環した排気ガスの再循環速度、排気ガスの温度、エンジンの負荷状態、エンジンの温度などに応じて制御され得る。発電器モジュールによる排気ガスの冷却が既に適切であると検出される場合、熱交換器を流れる冷却剤はまた、完全に止められてもよい。

本発明は、内燃エンジンおよび排気システムを有する自動車における使用に非常に特に好ましく、その排気システムは、排気ガスを内燃エンジンまで再循環するための排気ガス再循環システムを有し、排気ガス再循環システムは、ここに記載される本発明による熱電デバイスを備える。

本発明および技術分野を図面に基づいて以下により詳細に説明する。図面に示す例示的な実施形態は本発明を限定するものではなく、概略図であることは留意されるべきである。

図１は、熱電デバイスの構造の変形例である。 図２は、熱電発電器モジュールの管の構造の変形例の詳細である。 図３は、排気ガス再循環システムにおいて熱電デバイスを有する自動車である。

図１は、概略かつ部分的斜視図において、本発明に係る熱電デバイス１の構造の変形例を示す。同様にここで、熱電デバイス１を介して延びる排気ライン２を概略的に示し、入口３が右側上部に形成され、出口４が左側下部に形成される。ここで、前記排気ライン２において、複数の管束がハウジング３１内に配置され、ハウジング３１はまた、少なくとも第１の管束の領域において排気ライン２を画定する。ハウジング３１に関して、それはまた、好ましくは、管および接続部の熱膨張を補償するための少なくとも１つの補償要素を有して形成されることもまた留意されるべきである。

ここで、排気ガスは、流れ方向１７において、入口３を通して熱電デバイス１内に流れる。ここで、前記排気ガスは、排気ガスの流れ方向１７に対して横方向、または排気ガスの流れ方向１７に対して垂直に配置される複数の管８を有する第１の管束５に衝突する。従って、排気ガスは、管８の外面７上に誘導され、第１の管束５における管８の上または管８を通過するまたは管８の間の均一の流れが、対応して適切な流入する流れによって実現される。ここで、排気ガスが第１の管束５を通して流れた後、同様に複数の管８を有する第２の管束９を流れる。第１の管束５および第２の管束９は、流れ方向１７に対して実質的に同じ配置を有し、同様に排気ガスは均一にそれらの周囲を流れる。管８の数または流れ方向１７に対する前記管の配置および／または前記管の構造は、第１の管束５と第２の管束９との間で異なっていてもよいが、それらは、いずれの場合も、熱電発電器モジュール６として形成される。すなわち、言い換えれば、エネルギーは、２つの前記熱電発電器６によって得られ、適切な電気端子はハウジング３１から離れる。従って、管８は、図２と併せて以下により詳細に説明するように、対応する半導体素子を有する。

排気ガスが第２の管束９から出た後、その排気ガスは、再び複数の管８を有する第３の管束１０に衝突する。ここで、管８は、排気ガスの流れ方向１７に対して平行に配置されるので、排気ガスは、管８内に（のみ）侵入でき、最終的に、熱電デバイス１の出口４に近接する反対側から出て行く。ここで、排気ガスは、管８の内面１２にわたって内部に誘導される。

図１はまた、有益な冷却回路１３が構築され得る方法を示す。ここで、冷却剤は、最初に第３の管束１０にわたって接続部１４を介して流れ、ここで、内部を通して誘導される排気ガスを所望の温度まで冷却する目的で熱交換のみが行われるべきである。冷却剤が熱交換器１１を流れた後、前記冷却剤は転換され、次いで、送達方向２４に従って誘導され、第１の管束５および第２の管束９の管８の内部全てを並行して通る。ここでまた、冷却剤は、反対側で再度融合し、流出口１５を介して再循環され、その後、前記冷却剤自体は、例えば冷却器によって低温にされる。

図２は、ここで、熱電発電器モジュール６についての管８の可能な構造を示す。上記で既に説明したように、管８は外面７を形成し、その外面７に沿って、排気ガスは流れ方向１７において誘導される。ここで、外面７は外側ケーシング２７によって形成される。管８はまた、外側ケーシング２７に対して同軸で、管の内面１２を形成する内側ケーシング２６を有する。冷却剤は、内径１６を有する前記内側ケーシング２６を通る送達方向２４において誘導される。前記構築物により、環状の中間空間２９が形成され、ここに、半導体素子２５が配置される。端側において、排気ガスおよび／または冷却剤の侵入を防止するために、中間空間２９には例えば閉鎖部２８（例えば封止用部品など）が設けられる。半導体素子２５（ここで、ｎドープおよびｐドープ半導体素子２５が異なるハッチングにより示される）は、外側ケーシング２７から半導体素子２５まで、およびまた、内側ケーシング２６から半導体素子２５までの両方の十分な熱伝導を可能にする薄い電気絶縁層上に配置される。従って、特に大きな温度勾配が、半導体素子２５に対して内側および外側に設定され得る。ここで示すように、異なる半導体素子２５は、電気接点３０によって規定されるように対向して対に接続される。従って、作動中、温度勾配に起因して電流が生成され、得られるエネルギーが、熱電デバイス１から抜き取られ、所望の消費部および／またはアキュムレータに供給され得る。

図３は、ここで、再び概略的に、排気ガスが生成される内燃エンジン１９を有する自動車１８の基本構造を示す。排気ガスは、例えば汚染物質、粒子などを除去するための複数の触媒コンバータ２２を有する排気システム２０に供給される。排気ガスターボチャージャ２３を有する自動車１８をここで例示する。内燃エンジン１９とターボチャージャ２３との間に、熱電デバイス１が一体化される排気ガス再循環システム２１が設けられる。これは特に、ここで記載した熱電デバイス１についての好ましい設置位置である。なぜなら、ここで、熱電デバイス１のコンパクトかつ空間を節約した一体化が、特に、熱電デバイス１の高い効率のために可能となるからである。

１ 熱電デバイス
２ 排気ライン
３ 入口
４ 出口
５ 第１の管束
６ 熱電発電器モジュール
７ 外面
８ 管
９ 第２の管束
１０ 第３の管束
１１ 熱交換器
１２ 内面
１３ 冷却回路
１４ 接続部
１５ 流出口
１６ 内径
１７ 流れ方向
１８ 自動車
１９ 内燃エンジン
２０ 排気システム
２１ 排気ガス再循環システム
２２ 触媒コンバータ
２３ ターボチャージャ
２４ 送達方向
２５ 半導体素子
２６ 内側ケーシング
２７ 外側ケーシング
２８ 閉鎖部
２９ 中間空間
３０ 接点
３１ ハウジング

Claims (8)

1. 入口（３）および出口（４）を有する少なくとも１つの排気ライン（２）を有する熱電デバイス（１）であって、
   少なくとも１つの第１の管束（５）が熱電発電器モジュール（６）であり、前記熱電発電器モジュール（６）における前記排気ライン（２）が、管（８）の外面（７）によって形成され、
   少なくとも１つのさらなる管束（１０）が熱交換器（１１）であり、前記熱交換器（１１）における前記排気ライン（２）が、管（８）の内面（１２）によって形成される、
   熱電デバイス（１）。
2. 少なくとも２つの管束（５、９）が熱電発電器モジュール（６）として形成され、前記出口（４）における単一の管束（１０）が熱交換器（１１）として形成される、請求項１に記載の熱電デバイス（１）。
3. 管束についての共通の冷却回路（１３）が設けられ、前記冷却回路（１３）の接続部（１４）は、熱交換器（１１）を形成する管束に接続され、前記冷却回路（１３）の流出口（１５）が、熱電発電器モジュール（６）を形成する少なくとも１つの管束に接続される、請求項１または２に記載の熱電デバイス（１）。
4. 熱電発電器モジュール（６）を形成する管束（５、９）の管（８）の少なくとも数または当該管（８）の内径（１６）は、熱交換器（１１）を形成する管束（１０）の管（８）の数または当該管（８）の内径（１６）より少ない、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱電デバイス（１）。
5. 熱電発電器モジュール（６）を形成する管束（５、９）の管（８）は、熱交換器（１１）を形成する管束（１０）の管（８）とは、排気ガスの流れ方向（１７）に対して異なって配置される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱電デバイス（１）。
6. 高温排気ガスが、最初に、熱電発電器モジュール（６）を形成する複数の管束（５、９）の外側を通過して誘導され、続いて、熱交換器（１１）を形成する管束（１０）の管（８）を通して誘導される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱電デバイス（１）を作動させるための方法。
7. 熱交換器（１１）として形成される管束（１０）を通る冷却剤の流れが変化する、請求項６に記載の方法。
8. 内燃エンジン（１９）および排気システム（２０）を有する自動車（１８）であって、前記排気システム（２０）は、排気ガスを前記内燃エンジン（１９）まで再循環させるための排気ガス再循環システム（２１）を有し、前記排気ガス再循環システム（２１）は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱電デバイスを備える、自動車（１８）。

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