JP6081583B2 - 熱電モジュール、熱交換器、排気システム及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための熱電モジュールに関する。また、本発明は、少なくとも１つの上記熱電モジュールを有する熱交換器に関する。さらに、本発明は、上記熱交換器を備えた排気システム及び内燃機関に関する。

熱電モジュールは、いわゆるゼーベック効果を用いることで熱流を電流に変換できる。ここで、ゼーベック効果とは、ペルティエ効果の逆に基づく。従って、そのような熱電モジュールは、熱の回収、又は熱から電気エネルギーの抽出に用いられることが可能であり、よって、内燃機関及び車両のエネルギー効率を改善するために、好ましくは自動車における内燃機関の排気システムに用いられ得る。

詳細に、熱電モジュールは、通常、ｐドープ半導体脚及びｎドープ半導体脚をそれぞれ含む複数の脚の対を備え、該半導体脚の対は、金属ブリッジを介して互いに電気的に接触している。また、脚の対は、以下では脚対と呼ばれ得る。それぞれの脚対において、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換が起こる。さらに、それぞれの熱電モジュールは、電気エネルギーがタップオフされ得る一つの正極のみ、及び一つの負極のみを有するように、複数の脚対は、それぞれの熱電モジュール内で好ましくは連続して切り替えられる。この場合における脚対の相互接続は、特に金属ブリッジを介して起こり得る。

さらに、熱電モジュールは、熱電モジュールを通る熱流を生成するために、温度差が適用される高温側及び低温側を含み、そこで熱流が電流に変換され得る。通常、そのような熱電モジュールにおける低温側及び高温側は、それぞれ、金属ブリッジが表面に設けられ且つ固定された絶縁セラミックプレートにより形成される。

熱交換器内で、例えば排気システムの排気ガス等の加熱流体を運ぶ加熱管、及び例えば冷却回路の冷媒等の冷却流体を運ぶ冷却管を、そのような熱電モジュール又は熱伝達方法のためのモジュールの高温側又は低温側につなぐために、熱電モジュールに対してそれぞれの管を押し付けるための前負荷を生成することが熱伝達を改善するのに有利である。

熱電モジュールのセラミックプレートは高い曲げ剛性を有し、比較的に壊れやすいため、セラミックプレートにおける圧力ピーク及び力ピークを避けるために、プロセスにおいて製造ばらつきを十分に管理しなければならない。これに関する熱交換器の生産の際に必要とされる努力は比較的大きい。

本発明は、特に圧力負荷に対する感受性を低減することにより特徴付けられる、初めに述べた型の熱電モジュール、それを備えた熱交換器、それを備えた排気システム、又はそれを備えた内燃機関のための改善された実施形態の問題に取り組む。

本発明によると、この問題は、独立請求項の主題を通じて解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明は、概ねそれぞれのセラミックプレートを分割するという考えに基づく。この場合におけるセラミックプレートの分割は、複数のセラミックプレートのセグメントがそれらの表面が互いに整列し、それらが互いに隣接するように配設されるような態様で行われる。実際に、この場合において、セラミックプレートのセグメントがそれぞれ複数の金属ブリッジに対して平らに配置され且つ固定されるように、分割が行われる。セラミックプレートの分割により、それぞれのセラミックプレートのセグメントは、互いに相対的に移動可能であり、結果として圧力ピークが除去され得る。セラミックプレートが平坦であれば、セラミックプレートのセグメントは、セラミックプレートの平面において互いに隣接して配置される。セラミックプレートが湾曲しているならば、セラミックプレートのセグメントは、セラミックプレートの湾曲に対応して互いに隣接して配置される。

一実施形態において、セラミックプレートのセグメントは、それらが接続部で互いに支えあうように互いに隣接し得る。これは、モジュールにおいて特に単純な構成となる。セラミックプレートのセグメントは、接続部の縁を介してそれぞれの接続部で互いに隣接する。少なくともセラミックプレートのセグメントにおいて、それぞれの接続部の縁は、互いに隣接するセラミックプレートのセグメントの相対的な移動の際のダメージの危険性を低減するために丸みが付けられてもよい。

特に、実際はさらなる発展であり、セラミックプレートの拡大した面積において隣接するセラミックプレートのセグメント間であるそれぞれの間隙は隣接するセラミックプレートのセグメントが互いに接触しないような態様で形成される。これは、セラミックプレートのセグメントの相対的な移動が、セラミックプレートのセグメントの互いの摩擦による摩耗を引き起こさないように、それぞれのセラミックプレートのセグメントが互いに接触することなく配置されることを意味する。間隙により、セラミックプレートのセグメントは、互いに相対的に、より自由に移動できる。この場合、それぞれの間隙は、比較的に狭く設けられ得る。特に、間隙の幅は、セラミックプレートの厚さよりも小さくできる。

有利な実施形態によると、それぞれの間隙は、弾性があるグラウトを用いて気密にシールされ得る。セラミックプレート間に配置された半導体脚は、酸素に対して比較的に高い感受性を有する。間隙を気密にシールすることにより、例えば外気が間隙を通って半導体脚に達することを防止できる。グラウトの弾性により、セラミックプレートのセグメントの可動性は互いに維持され得る。

有利なさらなる発展によると、熱伝導性接着剤がグラウトとして用いられてもよく、それは、セラミックプレートのセグメントを金属ブリッジに固定するのにも用いられる。そのようにすることにより、熱電モジュールの製造は、例えば間隙を形成すること、及び金属ブリッジに対してセラミックプレートのセグメントを接着することが同時に実行できるので単純化できる。

代替的に、流延材料は、それぞれの熱電モジュール内において隣接する半導体脚の中間空間を満たすグラウトとして用いられ得る。この手段では、中間空間を満たすこと、及び間隙を満たすことは同時に実現され得るので、熱電モジュールの単純な製造を可能とする。有利な実施形態において、セラミックプレートのセグメントは、接続部又は間隙が隣接する金属ブリッジ間のこの側で形成される隙間に一致して伸びるように配置され得る。この構成により、互いに隣接するセラミックプレートのセグメントの高い可動性が得られる。

他の有利な実施形態において、脚対は、熱電モジュール内において、金属ブリッジに対し直角の格子構造が得られるような形態で、規則的に配置され得る。実際に、セラミックプレートのセグメントは、そのような実施形態を用いて矩形状に構成される。このような方法で、セラミックプレートのセグメントは、上記間隙が隣接する金属ブリッジ間の隙間に一致して伸びるように、特に容易に形成及び配置され得る。

他の有利な実施形態において、高温側及び低温側の両方でそのように分割されたセラミックプレートがそれぞれ配置され得る。この手段により、圧力負荷に対する特に高い柔軟性及び弾性がそれぞれの熱電モジュールにおいて得られる。好ましくは、対応する間隙を避けた異なる間隙の経路が得られるように、高温側及び低温側における２つのセラミックプレートが異なるように分割される。

本発明に係る熱交換器において、加熱流体を運ぶ少なくとも１つの加熱管と、冷却流体を運ぶ少なくとも１つの冷却管とが提供される。さらに、上述の型の少なくとも１つの熱電モジュールが、提供され、熱電モジュールの高温側が加熱管に対向する一方で、熱電モジュールの低温側が冷却管に対向するように、加熱管と冷却管との間に積層方向に配置される。

その積層において、加熱管、冷却管及び熱電モジュールは、互いに不規則に管の表面上に積層され、セラミックプレートに圧力ピークを負荷させ得る。セラミックプレートを分割することにより、これらの圧力ピークは、セラミックプレートのセグメント間で相対的移動を起こし、その結果、圧力ピークが除去されて、セラミックプレートの破壊又はダメージの危険性が低減される。

熱交換器の有利な実施形態によると、例えばグラファイト膜といった弾性熱伝達層は、冷却管と、冷却管上に配置されたセラミックプレートとの間の積層方向に配置され得る。追加的に又は代替的に、例えばグラファイト膜等の弾性熱伝達層は、加熱管と高温側に配置されたセラミックプレートとの間の積層方向に配置され得る。このような実施形態において、熱電モジュールとそれぞれの管との間で接触が直接に起こらずに熱伝達層を介して間接的に接触が起こる。このような例えばグラファイト膜等の弾性熱伝達層は、一方で弾性であり、他方で高い熱伝達性を有し、その結果、それぞれのセラミックプレートとそれぞれの管との間での熱伝達が改善され得る。同時に、弾性熱伝達層は、弾性及び／又は塑性変形により、それぞれの管及び必要ならばそれぞれのセラミックプレートの表面粗さを解消できる。

熱交換器の他の実施形態によると、管及びそれぞれの熱電モジュールは、積層方向に締結されている。この締結は、ハウジングの閉鎖の際に前負荷力が生成されるハウジングの助けにより実現され得る。同様に、管及びそれぞれの熱電モジュールの積層上に前負荷力を導入する前負荷装置を含む熱交換器を用意することも可能である。例えば、そのような前負荷装置は、積層の両側において積層方向に配置された２つのエンドプレートを含むことができ、これによりその積層が２つのエンドプレートの間に配置される。さらに、エンドプレートは、その積層にエンドプレートを介して所望の負荷を導入できるようにするために、タイロッドを介して互いに締結される。

熱交換器の他の有利な実施形態によると、複数の加熱管及び複数の冷却管並びに複数の熱電モジュールは、積層方向において互いに交互に積層され得る。

本発明に係る排気システムは、内燃機関、好ましくは自動車に用いられることが可能であり、上述の型の熱交換器が組み込まれた排気ラインを含み、該排気ラインで運ばれた排気ガスは、熱交換器の少なくとも１つの加熱管を通って流れ、加熱流体として機能する。

本発明に係る内燃機関は、特に自動車に用いられ、複数の燃焼室、該燃焼室から排出する排気ガスのための排気システム、上述の型の熱交換器を含み、排気ガスは少なくとも１つの加熱管を流れ、冷却回路の冷媒は少なくとも１つの冷却管を流れるように熱交換器は排気システム及び冷却回路に組み込まれる。

冷却回路は、エンジンブロックを冷却するための冷却回路、すなわち、エンジン冷却回路であってもよい。代替的に、冷却回路は、エンジン冷却回路と独立する冷却回路であってもよく、それは特にエンジン冷却回路の温度レベル以外の温度レベルで作動する。

本発明のさらなる重要な特徴及び利点は、従属請求項、図面、及び図面の助けを用いた関連する形状の説明から得られる。

上述の特徴及び以下で説明される特徴は、それぞれ述べられた組み合わせで用いられるのみならず、他の組み合わせで用いられる又は、本発明の範囲を逸脱しないそれら自体で用いられることが理解される。

本発明の好ましい実施形態は、図面に示され、以下の記述でより詳細に説明され、同一の符号は同一又は類似の機能を有する同一の構成要素に関する。

内燃機関の回路を簡略化して示す図である。 熱交換器の断面を簡略化して示す図である。 熱電モジュールの断面を簡略化して示す図である。 図３に示すＩＶ方向に対応する熱電モジュールの上面を簡略化して示す図である。

図１に示すように、内燃機関１は、好ましくは自動車に用いられ、複数の燃焼室３、該燃焼室に新鮮な空気を供給するための新鮮空気システム４、及び燃焼室３からの排気ガスを排出するための排気システム５を含むエンジンブロック２を備えている。さらに、内燃機関１は、エンジンブロック２を冷却できるようにするための冷却回路６を備えている。ここで、冷却回路６には、冷却回路６に運ばれる冷媒を適切に冷却できるようにするために、ここでは示されないが、可能であればファンと結合するラジエータを含み得る。エンジンブロック２を冷却するように機能する冷却回路６は、エンジン冷却回路又は主冷却回路とも呼ばれ得る。この主冷却回路６に加えて、ここでは示さない二次冷却回路とも呼ばれ得る他の冷却回路が任意に設けられてもよく、それは、特に他のラジエータ、任意に他のファン及び他の冷媒を含み得る。二次冷却回路は、特に主冷却回路６の温度レベル以外の温度レベルで作動し得る。

内燃機関１は、さらに、冷媒入口９、冷媒出口１０、熱媒入口１１及び熱媒出口１２を備えたハウジング８を有する熱交換器７を備えている。熱交換器７は、その熱媒入口１１及び熱媒出口１２を介して排気システム５又は排気システム５の排気ライン３６に流体的に組み込まれ、熱交換器７内の排気ガスが熱媒又は加熱流体として機能する。さらに、熱交換器７は、その冷媒入口９及びその冷媒出口１０を介して冷却回路６に組み込まれ、冷媒が熱交換器７内で冷媒又は冷却流体として機能する。示された例において、熱交換器７は、主冷却回路６に組み込まれる。代替的実施形態において、熱交換器７は、上述の二次冷却回路に組み込まれ得る。

さらに、熱交換器７は、少なくとも１つの熱電モジュール１３を含み、それは熱交換器７の内部において、熱伝達方法で加熱流体及び冷却流体に結合される。ハウジング１８において、電気接続部１４が形成され、それはそれぞれの熱電モジュール１３に適切に電気的に接続される。

図２によると、熱交換器７は、加熱流体を案内するための複数の加熱管１５、冷却流体を案内するための複数の冷却管１６、及び積層方向１７において加熱管１５と冷却管１６との間にそれぞれ配置された複数の熱電モジュール１３を含む。受容性の熱電モジュール１３は、高温側１８及び低温側１９を含み、それらは積層方向１７において互いに外側を向いている。熱電モジュール１３、加熱管１５及び冷却管１６の配置が積層２０を形成し、熱電モジュール１３のそれぞれの高温側１８が加熱管１５に対向し、それぞれの低温側１９が冷却管１６に対向する。図２の例において、熱伝導層２１は、積層方向１７においてそれぞれの熱電モジュール１３とそれぞれの管１５，１６との間に追加的に配置され、それは好ましくはグラファイト膜であり、続いて同様に配置され得る。

図２に示すように、そのような熱電モジュール１３は、明示されていない中間空間、具体的にはそれぞれ積層方向１７における２つの隣り合う管１５，１６の間に位置する中間空間にある。図２の表面に垂直に立つ積層２０の長手方向におけるそれぞれの中間空間に、複数のそのような熱電モジュール１３は、縦にも並んで配置され得ることは明らかである。

積層２０は、矢印２２に対応する積層方向１７に締められ、その結果、グラファイト膜２１を介して、積層方向１７において前負荷状態で各熱電発電機１３上における管１５，１６が互いに支持する。図２の例での前負荷力２２は、前負荷装置２３の助けにより実現され、それは熱交換器７のハウジング８に配置され得る、又は熱交換器７の適切なハウジングにより形成され得る。図２の例において、前負荷装置２３は２つの端板２４を含み、それらは、積層方向１７における積層２０の両側に配置され、積層方向１７におけるそれらの間で積層２０を受ける。ここで、各端板２４は、積層２０の最も外側の管１５，１６に対向して位置する。さらに、端板２４は、タイロッド２５の助けにより互いに締められ、その結果、積層方向における前負荷力２２が生成され、積層２０に伝達される。

図３及び図４によると、それぞれの熱電モジュール１３は、複数の脚の対２６又は脚対２６を含む。各脚対２６は、ｐドープ半導体脚２７及びｎドープ半導体脚２８を有し、それらは金属ブリッジ２９を介して互いに電気的に接触している。

さらに、セラミックプレート３０のそれぞれは、高温側１８、及び電気的に絶縁された低温側１９の両方に配置されている。金属ブリッジ２９は、各セラミックプレート３０に対して平らに配置されている。さらに、金属ブリッジ２９は、各セラミックプレート３０に固定されている。この目的のために、高い熱伝導性により特徴付けられ、従って熱伝導性接着剤ともいえる適当な接着剤が用いられ得る。接着剤による接続の代わりに、物質的な接続、例えば活性金属法による特にはんだによる接続が原理的に考えられる。例に示されたセラミックプレート３０は、平らに作製され、各熱電モジュール１３の少なくとも非設置状態において、各プレートの面方向３７に延びる。原則としては、湾曲したセラミックプレート３０も考えられ、それはプレートの湾曲に沿って又は対応するように延びる。

各セラミックプレート３０は、各セラミックプレート３０のプレート面３７で互いに隣接して、又はプレートの湾曲に沿って互いに隣接して配置された複数のセラミックプレートセグメント３１を含むように分割される。図３の例において、低温側１９、すなわち上側における選択された区域面に３つのセラミックプレートセグメント３１が見られ、一方、下側、すなわち高温側１８には４つのセラミックプレートセグメント３１が見られる。実際に、各セラミックプレート３０の分割は、複数の金属ブリッジ２９が各セラミックプレートセグメント３１に対して平らに設けられ、それらに固定されるように行われる。さらに、ここで示される例において、間隙３２のそれぞれは、プレート面３７において隣接するセラミックプレートセグメント３１同士の間に形成され、隣接するセラミックプレートセグメント３１同士が互いに接触しないようにする。実際に、それぞれの間隙３２は、優先的に弾性があるグラウト３３により気密にシールされる。グラウト３３として、上述の熱伝導性接着剤を用いることができ、それは例えば金属ブリッジ２９をセラミックプレートセグメント３１に固定するためにも用いられ得る。代替的に、流延材料は、各熱電モジュール１３内で隣接する半導体脚２７，２８の中間空間３４に充填されるグラウト３３として用いられ得る。図３の断面図において、流延材料は示していない。

他の実施形態において、接続部に沿っていずれの場合においても、隣接するセラミックプレートセグメント３１が互いに寄りかかり、従って互いに接触するように配設され得る。各セラミックプレートセグメント３１は、各接続部に縁を有し、その接続部は、各接続部で隣接するセラミックプレートセグメント３１の縁に隣接する。少なくとも１つの接続部の縁は、丸みが付けられ得る。優先的に、両方の接続部の縁は、各接続部において丸みが付けられる。

図４の表示において、セラミックプレート３０は省略されている。また、低温側１９の金属ブリッジ２９のみが表示されている。さらに、低温側１９に設けられたセラミックプレート３０の互いに隣接するセラミックプレートセグメント３１間の間隙３２又は接続部のコースを示すために、グラウト３３は示されている。間隙３２又は接続部が、図４においてグラウト３３のコースに対応し、低温側１９にある隣接する金属ブリッジ２９間の隙間３５に対応して延びるようにセラミックプレートセグメント３１が配置され得るように、このセラミックプレート３０の分割が行われる。セラミックプレートセグメント３１のこの特別な配置は、図３の断面図にも見られる。ここで、間隙３２は、隙間３５に対応して延びる。半導体脚２７、２８は特定の曲げ弾性を有するため、個々のセラミックプレートセグメント３１は、プロセスの際に熱電モジュール内で許されないほど高い力が生じることなく、互いに相対的に移動し得る。

熱電モジュール１３内の脚対２６は、規則的に、すなわち熱電モジュール１３の高温側１８又は低温側１９のそれぞれの側に金属ブリッジ２９に対して直角格子構造が得られるように配置されることは、図４から明らかである。この場合、セラミックプレートセグメント３１も実際に矩形状に構成される。

Claims (10)

1. 熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための熱電モジュールであって、
   互いに金属ブリッジ（２９）を介して電気的に接続するｐドープ半導体脚（２７）及びｎドープ半導体脚（２８）をそれぞれ有する複数の脚対（２６）と、
   前記熱電モジュール（１３）の高温側（１８）又は低温側（１９）に配置され、これらの側（１８，１９）と接続する前記金属ブリッジ（２９）に対して平らに配置され且つ固定された少なくとも１つの絶縁セラミックプレート（３０）とを含み、
   それぞれの前記セラミックプレート（３０）は、複数のセラミックプレートセグメント（３１）が互いに隣接して配置されるように分割され、該セラミックプレートセグメント（３１）のそれぞれが複数の前記金属ブリッジ（２９）に対して平らに配置され且つ固定されており、
   隣接する前記セラミックプレートセグメント（３１）は、それらの接続部に沿って互いに接触することを特徴とする熱電モジュール。
2. 前記接続部のそれぞれが前記高温側（１８）又は低温側（１９）において隣接する前記金属ブリッジ（２９）同士の間に形成された隙間（３５）に対応して延びるように、前記セラミックプレートセグメント（３１）は配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
3. 前記脚対（２６）は、前記高温側（１８）又は低温側（１９）のそれぞれにおいて前記金属ブリッジ（２９）に対して直角格子構造が得られるように、前記熱電モジュール（１３）内に規則的に配置され、
   前記セラミックプレートセグメント（３１）は矩形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電モジュール。
4. 前記高温側（１８）及び低温側（１９）の両方に分割されたセラミックプレート（３０）が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
5. 加熱流体を案内するための少なくとも１つの加熱管（１５）と、
   冷却流体を案内するための少なくとも１つの冷却管（１６）と、
   少なくとも１つの請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電モジュール（１３）とを備え、
   前記熱電モジュール（１３）の前記高温側（１８）が前記加熱管（１５）に対向し、且つ、前記熱電モジュール（１３）の前記低温側（１９）が前記冷却管（１６）に対向するように、前記熱電モジュール（１３）が積層方向（１７）において前記加熱管（１５）と前記冷却管（１６）との間に配置されている、熱交換器。
6. 前記積層方向（１７）における前記冷却管（１６）と前記低温側（１９）に配置された前記セラミックプレート（３０）との間に熱伝達層（２１）が配置されている、及び／又は、
   前記積層方向（１７）における前記加熱管（１５）と前記高温側（１８）に配置された前記セラミックプレート（３０）との間に熱伝達層（２１）が配置されていることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記加熱管（１５）又は冷却管（１６）と、少なくとも１つの前記熱電モジュール（１３）とは前記積層方向（１７）において締結されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の熱交換器。
8. 複数の前記加熱管（１５）、複数の前記冷却管（１６）及び複数の前記熱電モジュール（１３）は、積層方向（１７）において交互に積層されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の熱交換器。
9. 排気ライン（３６）を備え、請求項５〜８のいずれか１項に記載の熱交換器（７）が組み込まれて、排気ライン（３６）内を通る排気ガスが前記熱交換器（７）の少なくとも１つの前記加熱管（１５）を流れる内燃機関のための排気システム。
10. 複数の燃焼室（３）を含むエンジンブロック（２）と、
    前記燃焼室（３）からの排気ガスを排出するための排気システム（５）と、
    請求項５〜８のいずれか１項に記載の熱交換器（７）とを備え、
    前記熱交換器（７）は、前記排気ガスが少なくとも１つの前記加熱管（１５）を流れ、且つ、冷却回路（６）の冷媒が少なくとも１つの前記冷却管（１６）を流れるように、前記排気システム（５）及び前記冷却回路（６）に組み込まれている、内燃機関。