JP6034195B2 - 熱伝導材料から電気エネルギーを生成するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝導材料により提供される熱エネルギーから電気エネルギーを生成するための装置に関する。そのような装置は、例えば熱電発電装置として知られており、自動車の内燃エンジンの排気システムにおいて使用され得る。

例えばガソリンおよびディーゼルエンジンなどの自動車の内燃エンジンの排気処理において、排気ガスが環境中に放出されると、それらをほぼ完全に浄化するように排気ガスを処理する試みが現在なされている。また、未使用の放出されたエネルギーの形態を使用可能なエネルギーの形態に変換する試みもなされている。

自動車のエンジンからの排気ガスは熱エネルギーを有し、その熱エネルギーは、熱的接触により熱伝導材料に移動され、例えばバッテリーもしくは他のエネルギー保存装置を充電するためおよび／または必要なエネルギーを電気消費部に直接供給するために、熱電発電装置により電気エネルギーに変換され得る。このように、より多くの量のエネルギーが自動車を作動するのに利用可能となる。

そのような熱電発電装置は、通常、複数の熱電変換素子を有する。このための熱電材料は、熱エネルギーを電気エネルギー（ゼーベック効果）に、またはその逆（ペルチェ効果）に効果的に変換できるような種類のものである。「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、熱吸着を伴う現象であり、異なる材料を通して流れる電流により生じる。ペルチェ効果は、例えば熱電冷却のために既に提案されている。

そのような熱電変換素子は、好ましくは、複数の熱電素子を有し、その熱電素子は、「高温側」と呼ばれるものと、「低温側」と呼ばれるものとの間に配置される。熱電素子は、例えば少なくとも２つの半導体ブロック（ｐおよびｎドープ）を含み、それらは、導電性ブリッジに交互に上側および下側（「高温側」および「低温側」に対して）に接続される。セラミックシートまたはセラミックコーティングおよび／または類似の材料が、金属ブリッジを絶縁するのに役立ち、それ故、好ましくは、金属ブリッジの間に配置される。温度勾配が半導体ブロックの両側に与えられる場合、電圧ポテンシャルが形成される。この場合、熱は１つの接触点（「高温側」）において取りこまれ、電子が１つの側から次のブロックの高エネルギー伝導バンドに移動する。他方で、次いで、電子は、より低いエネルギーレベル（「低温側」）において他の側に戻るためにエネルギーを放出し得る。したがって、対応する温度勾配を考慮して、電流の流れが発生し得る。

自動車、特に乗用自動車における適用のための対応する熱電発電装置の使用は、熱電発電装置が排気ガス流に挿入される範囲で既に知られており、熱エネルギーは熱放射により移動される。しかしながら、以下の議論は、固体熱伝導表面上の熱電発電装置の使用に集中するので、熱エネルギーは熱伝導により移動されることを目的とする。しかしながら、そのような熱源からの電気エネルギーの生成はそれほど十分に効果的ではない。

したがって、本発明の目的は、従来技術に関して記載された問題を少なくとも部分的に解決することである。特に、利用可能な熱エネルギーの電気エネルギーへの変換に関する改善された効果を可能にし、また、特に（安定状態）連続作動および熱伝導材料からの熱エネルギーの抽出に適切である、熱電発電装置を提供することを目的とする。

これらの目的は請求項１の特徴に係る装置によって達成される。本発明に係る装置の有益な改良は従属請求項において特定される。特許請求の範囲に個々に特定される特徴は、任意の所望の技術的に有用な方法で互いに組み合わされてもよく、本発明のさらなる改良を示すことは留意されるべきである。特に図面と併せた詳細な説明は、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。

電気エネルギーを生成するための本発明に係る装置は、少なくとも１つの突起部を有する少なくとも１つの加熱される熱伝導本体と、当該少なくとも１つの突起部に対して側面に取り付けられる、熱電素子とを備え、各熱電素子の熱効率および少なくとも１つの突起部の送達される熱出力は互いに適合するように製造される。

この装置は特に熱電発電装置と称される。加熱される本体は、例えば、内燃エンジンまたは一部の他の本体の一部である、排気パイプにより形成され得る。他の熱伝導材料もまた、考えられ得る。好ましくは、高い熱容量を有する中実本体が使用される。

本体の加熱は、フレーム、排気ガス流、電熱器、水および／または一部の他の熱源により提供され得る。

本体は特にその熱容量のために断続的に加熱され、反対側を経由して均一に熱を送達する。突起部は、例えば、加熱装置に対向する加熱される本体から突出するピンの形態をとるように考慮されてもよい。好ましくは、材料の表面積を増加させるために複数の突起部が形成され、これにより、より多くの熱電素子が取り付けられる。この文脈において「取り付ける」とは、係留（ｃａｐｔｉｖｅｌｙ ｆａｓｔｅｎ）、接着接合、はんだ付け、溶接などを意味し、または突起部の表面積の少なくとも５０％にわたって、好ましくは突起部の表面積の少なくとも８０％にわたって、特に好ましくは突起部の表面積の少なくとも９５％にわたって均一に分配することを意味する。したがって、熱電素子は、それらが突起部と直接熱接触するように突起部に取り付けられる。したがって、加熱される本体は、熱電素子の高温側と低温側との間の分離を形成し、突起部は低温側の方向に延びる。各々の突起部は、通常、基部、先端部すなわち前部および円周面を有する。この文脈において側面とは、熱電素子が、基部と先端部すなわち前部との間の円周面に取り付けられ、この面に平行に延びる、および／またはこの面に対して一定の角度である面を意味する。

特に、本体は、補助的な加熱装置（予熱装置、一時的加熱装置）の加熱本体であるので、本体に配置される突起部は補助的な加熱装置の水回路中に突出する。補助的な加熱装置は、特に、自動車での使用に好適であり、冷却水を予熱することにより、間接的に内燃エンジンの加熱をもたらすので、冷却開始によって引き起こされる場合のダメージが回避される。さらに、このような補助的加熱装置はまた、乗り物の乗客区画（客車、客室）を加熱することも可能である。この場合、熱電発電装置の低温側は補助的な加熱装置の水回路により形成されるので、突起部に配置される熱電素子は、高温側（本体または補助的加熱装置の加熱本体）と低温側（冷却水）との間に位置する。

突起部は、特に、多くとも４０ｍｍ［ミリメートル］、特に、多くとも２０ｍｍで基部と先端部との間の長さにわたって延びる。本体上の複数の突起部の構成により、それらは好ましくは、多くとも平方センチメートル当たり１つの突起部（１つの突起部／ｃｍ^２）の密度を有する。

加熱される本体から離れた方向への突起部における熱流束のために、例えば円筒状の突起部は不均一な温度プロファイルを有し、したがって、その範囲の方向に沿って不均一な熱出力を送達する。各々の熱電素子は、特定の温度差について最大を達成する熱電効率（最大効率）を有する。ここで、「熱電効率」という用語は、送達される電力および吸収される熱出力の割合を意味する。各々の熱電素子について可能な限り高い効率を達成するために、熱電素子の種類は、それぞれの突起部の局所的温度、およびそれによる、高温側と低温側との間の温度差を適合するように製造される。

代替として、または更に、例えば、可能な限り均一である熱出力の送達を達成し、それによって、規定した熱電素子の熱電効率に適合するように、突起部から熱電素子までの熱流束は、意図的（部分的）に妨げられるか、または促進されてもよい。

温度プロファイルを適合する更なる可能性は、突起部の断面を適合することである。したがって、突起部は、例えば、その範囲の方向に沿って狭くなるおよび／または広くなるように選択され、（部分的に）多孔質材料からなり、および／または（部分的に）粗面を有してもよい。

このように、熱電素子の効率は、突起部の送達された熱出力に特に容易に適合され得る。

ここでまた、熱電素子が、少なくとも１つの突起部の側面、すなわち円周面に配置されることが提案される。全ての熱電素子が（慣例の作動温度にて）同じ電気効率を有することが同様に好ましい。更に、ここで、少なくとも１つの突起部の送達される熱出力は、円周面全体にわたって（例えば対応する少ない基準面に対して）均一または実質的に同じであることが好ましい。

この装置の好ましい改良によれば、加熱される熱伝導本体上の少なくとも１つの突起部は、円周面にわたって同じ温度を有する。この文脈において「同じ」という用語は、同一の温度素子が、突起部の円周面全体にわたって使用され得ることを意味する。この場合、本体または突起部は、特に（動的および／または静的）負荷状態または加熱状態の全てにわたって、好ましくは、１００℃未満、特に５０℃未満および最も好ましくは多くとも２０℃の温度差が、円周面上で達成されるように設計される。特に、円周面上での温度は、使用される熱電素子の最大効率から最大３０％、好ましくは最大１５％だけでも偏向する。同じ温度が円周面全体にわたって達成される場合、それぞれ送達される熱出力を対応する熱電発電装置の最大効率に適合させるために、異なる最大効率を有する異なる熱電発現装置を使用する必要性はなくてもよい。

熱電素子についての一部の材料およびその最大動作温度を以下の例のように与える：

装置の好ましい改良によれば、少なくとも１つの熱電素子は、少なくとも１つの第１の断熱材によって少なくとも部分的領域において少なくとも１つの突起部から分離する。

突起部の温度プロファイルを適合させるために、第１の断熱材は、突起部（特にその円周面）に（例えばコーティングとして）取り付けられ、熱電素子への熱流束を低減させることが提案される。ここで、「断熱材」という用語は、熱流束が断熱材により完全に防がれないが、妨げられることだけでも意味すると理解されるべきである。断熱材は、突起部の１つ以上の部分的領域上に広がってもよいか、またはそれを完全に覆ってもよい。突起部と熱電素子との間に導入される断熱材は、突起部が少なくとも部分的領域においてもはや熱電素子と直接熱接触しないという効果を有し、それは「分離される」という用語により現される。

また、異なる突起部について異なる熱電素子を使用し、異なる熱電材料または異なる突起部についての異なる材料厚さを選択するために、突起部上に複数の熱電素子を使用することも提案される。

装置のさらなる好ましい改良によれば、少なくとも１つの熱電素子は、少なくとも１つの第２の断熱材によって少なくとも部分的領域において少なくとも１つの加熱される本体から分離される。

ここで、第２の断熱材は好ましくは、突起部の本体側（基部）の端部における突起部の温度プロファイルのピークを回避し、かつ（特に熱放射による）熱電素子上の悪影響を回避するために、本体に最も近い（隣接する）熱電素子と、加熱される本体との間に配置される。熱流束は好ましくは、第２の断熱材により完全に抑制される。この断熱材は、第１の熱導体と同じ材料からなってもよいが、異なる材料を含んでもよい。第２の断熱材は、突起部付近に領域を限定され、本体全体にわたってコーティングの形態をとってもよい。

装置のさらに好ましい改良によれば、少なくとも１つの突起部は、軸方向と、突起部の軸方向において少なくとも１つの熱電素子の熱電効率を適合するように製造される断面積とを有する。

軸方向は、多くの場合、基部から先端すなわち前部までの突起部の範囲の方向を意味すると理解されるべきである。突起部の断面積は軸方向に垂直な平面にあるとみなされるので、面法線は軸方向に対して平行に延びる。したがって、ここで、軸方向に沿って異なる断面積を有するような突起部が設計される。この場合、断面積は、例えば、それらの形態または外形、それらの大きさ、多孔率および／または材料の熱伝導性において異なってもよい。断面積の変化は、熱流束の経路が短縮もしくは長くされるか、または妨げられるか、または容易に製造されるという効果を有するので、円周面による、かつ軸方向に沿った熱エネルギーの異なる放出が得られる。このように、突起部の温度プロファイルは特に影響を受け得るので、次いで突起部は熱電素子の熱電効率を適合するように製造される。

装置のさらに好ましい改良によれば、少なくとも２つの熱電素子は同じ最大効率を有する。

複数の熱電素子が使用される場合、同じ最大効率を有する熱電素子が好ましくは使用されるので、上記の方法により最大効率および送達される熱出力の互いの適合性が必要とされるだけであり、材料の適合性についての必要性がない。したがって、突起部の円周面に取り付けられる熱電素子の全ては、好ましくは、同じ最大効率を有する。

本発明についての特に好ましい適用は、内燃エンジンを有する自動車、特に乗用車においてである。

本発明および技術的環境は概略図に基づいて例示される。図面は特に好ましい実施形態の変形例を示すが、本発明はそれらに限定されないことは留意されるべきである。

図１は、断面図において突起部を有する装置の実施形態の第１の変形例を示す。 図２は、断面図において突起部およびさらなる第１の断熱材を有する装置の実施形態の第２の変形例を示す。 図３は、複数の熱電素子を有する装置の実施形態の第３の変形例を示す。 図４は、自動車の高温排気ガスから電気エネルギーを生成するための装置の一体化を示す。 図５は、対応する装置を有する自動車を示す。

図１は、本体２を有する装置１の実施形態の第１の変形例を示し、その本体２は、加熱装置１３（例えばバーナー）によって加熱され、突起部３を有し、その突起部３の側面に熱電素子４が取り付けられ、その熱電素子４は冷却装置１４によって冷却される。突起部３は第２の断熱材１５によって部分的部分７において加熱される本体２から分離されているので、突起部３の基部１８において温度ピークが回避される。さらに、突起部３は、その軸方向８に沿って異なる断面積９を有するので、突起部３の送達される熱出力は、熱電素子４に効果的に適用される。ここで示した変形例の場合において、熱電素子４は、円周面１７に沿って基部１８から突起部３の前部１６まで延びる。しかしながら、原則として、熱電素子４の数および配向または配置は適合させる目的のために種々の形態で与えられてもよい。

以下で参照する図は、ある程度まで同じ構成要素を示し、それはまた、同じ番号によって識別される。

図２は、装置１の実施形態の第２の変形例を示す。突起部３は、第１の断熱材５によって部分的領域６において熱電素子４から分離され、軸方向８に沿って異なる断面積９を有する。第１の断熱材５もまた、異なる断面積を有し、突起部３の断面積９に適合される。熱電素子４は突起部３および第１の断熱材５に側面で取り付けられ、第２の断熱材１５によって加熱される本体２から分離されている。この例示的な実施形態において、第１の断熱材５の形状により、および突起部３の異なる断面積９により、送達された熱出力を熱電素子４に効果的に適合することが行われる。

図３は、装置１の実施形態の第３の変形例を示す。熱電素子４は、第２の断熱材１５によって加熱される本体２から分離されている。熱電素子４によって突起部の送達された熱出力を熱電素子４に効果的に適合することが行われ、異なる最大効率が提供される。

図４は突起部３の送達された熱出力を示す。左側の図は、第１の断熱材５を有さない円筒状突起部３を示す。この場合、送達された熱出力Ｐは、基部から前部まで軸方向８に沿って減少する。右側の図は、第１の断熱材５を有する突起部３および軸方向８において突起部３の異なる断面積９を示す。送達される熱出力Ｐは突起部３の軸方向８に沿って増加する。

図５は、装置１と熱接触する排気システムによって排出される排気ガス１２を生成する内燃エンジン１１を有する自動車１０を示す。これにより、自動車１０の排気ガス１２の熱エネルギーから電気エネルギーが得られることを可能にする。この場合、熱電発電装置の加熱は、排気ガスによって（のみ）与えられるのではなく、少なくとも１つのバーナーおよび／または電熱装置が提供され、固体ベースプレートに一定の熱供給が提供されることが好ましい。

１ 装置
２ 本体
３ 突起部
４ 熱電素子
５ 第１の断熱材
６ 部分的領域
７ 部分的部分
８ 軸方向
９ 断面積
１０ 自動車
１１ 内燃エンジン
１２ 排気ガス
１３ 加熱（装置）
１４ 冷却（装置）
１５ 第２の断熱材
１６ 前部
１７ 円周領域
１８ 基部

Claims (2)

1. 熱伝導本体（２）が、突起部（３）を有し、
   前記突起部（３）は、その軸方向（８）に沿って異なる断面積（９）を有し、
   前記突起部（３）は、部分的部分（７）において、第２の断熱材（１５）によって前記熱伝導本体（２）から分離されていて、
   前記熱伝導本体（２）の前記突起部（３）とは別の部分が、加熱装置（１３）によって加熱され、前記突起部（３）の側面に同じ最大効率を有する複数の熱電素子（４）が取り付けられ、前記熱電素子（４）は冷却装置（１４）によって冷却される、
   電気エネルギーを生成するための装置。
2. 熱伝導本体（２）が、突起部（３）を有し、
   前記突起部（３）は、その軸方向（８）に沿って異なる断面積（９）を有し、
   前記突起部（３）および第１の断熱材（５）の側面に同じ最大効率を有する複数の熱電素子（４）が取り付けられ、
   前記突起部（３）は、部分的領域（６）において、前記第１の断熱材（５）によって前記熱電素子（４）から分離され、
   前記熱電素子（４）は、第２の断熱材（１５）によって前記熱伝導本体（２）から分離され、
   前記熱伝導本体（２）の前記突起部（３）とは別の部分が、加熱装置（１３）によって加熱され、前記熱電素子（４）は冷却装置（１４）によって冷却される、
   電気エネルギーを生成するための装置。

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