TW201230261A - Thermoelectric module for an exhaust system - Google Patents
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201230261 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於適用於在内燃機之排氣系統中安裝之熱電 模組。 【先前技術】 該等熱電產生器及珀爾帖(Peltier)配置本身已長期為人 所知。該等在一端加熱並在另一端冷卻之p型及n型摻雜半 導體通過外電路運輸電荷,如此使得電功可在電路負載下 進行。因此由熱能轉化成電能所達到之效率熱力學上係為 卡諾(Carnot)效率所限制。因此,在熱端1〇〇〇〖及「冷」 端400 K之溫度時’可獲得(1刚·彻)+1_ = 6〇%之效率。 然而’至今’僅實現至多6%之效率。 w 7右直流電應 , 牧有目一端運赛 …至”他端。此拍爾帖(Peltier)配置如熱泉作用並因此这 ::冷卻設備配件、載具或建築物。藉由該拍爾帖準則水 的、::習:加熱更受歡迎’原因在於相較相當於等效供應 的旎里,其總是運輸更多熱量。 田:〗該等熱電產生器係用於太空探測 流,官道之陰極腐Μ防護,光及生置電 操作收音機及W w 之能f供應及 端可靠性。1等可不者“產“之優點在於其等極 没有易於受到干搭私 條件(諸如相對濕度)操作; 熱電楔植勺括^ ^運輸發生’而僅電荷運輸。 模、,且包括p型及„型零件, 並聯連接。圖2顯示此模組。 電子串聯連接及熱 I59190.doc 201230261 S亥習知結構由兩個陶瓷板組成,二者之間交替安裝該等 個別零件。在各者情況下兩零件皆經由該等端面導電接 觸。 除該導電接觸外,通常在該實際材料上亦另外提供各種 不同層,其等用作保護層或焊層。然而,最後,該兩零件 之間的電性接觸經由金屬橋確立。 δ亥等熱電組件之基本要素係該接觸。該接觸確立該組件 之「心臟」(其負責該組件之所需的熱電效應)中材料及該 外部世界J之間之物理連接。此觸點之結構係示意圖示 於圖1中。 該組件内的熱電材料1提供該組件之實際效應。該組件 係熱電零件。電流及熱通量流經該物質1,以使其在整體 結構上履行其功能。 該材料1之至少兩面經由該觸點4及5各自連接至該導綫6 及7。在此例中該等層2及3意在象徵一或更多層在該材料 及。亥等觸點4及5之間視情況需要的中間層(障壁材料、焊 料黏5劑專)。該等各自彼此成對相連之段、4/5、 可係相同的,儘管並非必要。此最終同樣將取決於該 特疋結構及應用,及通過該結構之電流之流向或熱通量。 "亥觸點4及5現具有重要作用。其等確保材料與導綫之間 緊密相連。若該等觸點不良,則此處發生高損失並極大限 且件之性能。由於此原目,該等零件及觸點係通常被 壓=於該材料以供使用。因此該觸點暴露於強機械負荷。 每田’ν及升向(或降低)溫度及/或熱循環時,此機械負荷進 159190.doc 201230261 一步増加。建成該組件之材料的熱膨脹不可避免地導致機 械應力’其在極端情況下因爲該觸點斷裂而導致該組件失 效。 為了阻止此情況發生,該等採用的觸點必須具有—定繞 性及彈性性質,使得可補償此等熱應力。 爲了賦予該整體結構穩定性,並確保每一零件上所需的 最大均勻熱耦合,承載板係必需的。爲此,通常使用陶 莞,例如由氧化物或氮化物(諸如Al2〇3、Si〇2或A1N)構成 之陶瓷。 該傳統結構就應用來説通常受限制,原因在於在各者情 況下僅平坦表面可與該熱電模組接觸。為確保足夠的熱通 量’該模組表面與該熱源/散熱器之間的緊密連接係不可 缺少的。 非平坦表面,例如圓的餘熱管,並不適於直接與該傳統 模組接觸或其荨需要相對直的熱交換器結構,以提供自非 平坦表面至該平坦模組之過渡。 當前’已嘗試在機動車輛(諸如汽車及卡車)中,在該排 氣系統或該廢氣再循環中提供熱電模組,以自部分該廢氣 熱中獲得電能。在此例下,該熱電元件之熱端係連接至該 廢氣或尾管,同時該冷端係連接至冷卻器。可產生的電量 視该廢氣之溫度及自該廢氣至該熱電材料之熱通量而定。 爲了农大化§亥熱通量’通常在該尾管内建造裝置。然而, 此等裝置受許多限制,原因在於(例如)安裝熱交換器通常 導致s亥廢氣中壓力損失’其因此導致該内燃機之消耗不可· 159190.doc 201230261 耐地增加。 傳統地,在該排氣系統中的廢氣催化轉化器後安裝該熱 電產生器。與該廢氣催化轉化器之壓力損失一起,此通常 導致過度壓力損失使得無法在該排氣系統中提供導熱裝 置,而是在該尾管外安裝該熱電模組。為此,該尾管通常 組態成多邊形截面如此使得平坦外表面可與該熱電材料緊 密接觸。 迄今熱轉移及發生之壓力損失均尚未令人滿意。 【發明内容】 本發明之一目的是提供用於在内燃機之排氣系統中安裝 之熱電模組,其避免了該等已知模組之缺點並確保低壓力 損失下更好的熱轉移》 該目的係依據本發明藉由由p型及n型傳導熱電材料零件 (其等經由導電觸點彼此交㈣接)組成之熱f模組而實 現’其中該熱電模組導熱地連接至斜荆办十μ抑 免按主微型熱交換器,該微型 熱交換器包括複數個具有最大亩麻 八爷聢大直徑1 mm的連續通道,流體 熱交換器介質可流經此通道。 對於該微型熱交換器之通道,塗覆内燃機廢氣催化劑 (特別是機動車輛廢氣催化劑)之表面塗㈣㈣㈣1 此可避免使用單個的廢氣催化轉化器並使該排氣系 統中壓力知失最小化。該整合設 進在該排氣系統巾安p 冑化了該整體結構並促 【實施方式】 藉由使用微型熱交換器 可確保改善自該廢氣至該熱電 159190.doc 201230261 模組之熱通量,同時充分降低壓力損失。依據本發明,該 廢氣流經a亥·#以型熱交換器之微通道。在此例中,該等通 道較佳係以廢氣催化劑塗覆,該廢氣催化劑特別催化以下 之一或更多種轉化:ΝΟχ至氮氣、烴類至c〇2&H2〇,及 CO至C〇2。極佳地,催化所有該等轉化。 合適之催化活性物質(諸如Pt' Ru、Ce、Pd)係已知,並 描述於(例如)St〇ne,R.等人·,Aut〇m〇Uve Engineedng
Fundamentals’ Society of Automotive Engineers 2004 中。 此等催化活性物質係以合適方式應用於該等微型熱交換器 之通道上。較佳地,可以表面塗層形式應用。在此例中, 該催化劑係以懸浮液形式於該微型熱交換器之内壁上或其 通道上作爲薄層。該催化劑因此可由單層或具有相同或不 同組分的各種不同層組成。因此在於機動車輛中使用期 間,該施加的催化劑可依據該微型熱交換器的尺寸標注及 其塗層,完全或部分取代該内燃機之常用廢氣催化轉化 器。 依據本發明,該術語「微型熱交換器」意指具有複數個 最大直徑1 mm之連續通道的熱交換器,極佳係最大 mm ^該最小直徑係僅藉由技術可行性設定,且較佳為約 50 μηι ’ 極佳 1〇〇 μηι。 該等通道可具有任意合適截面’例如圓形、橢圓形、多 邊形(諸如正方形、三角形或星形等)。此處,該通道之: 邊或點之閒的最短距離係視作該直徑。該等通道亦可以形 成為平面,在此情況下該直徑係定義為該分界面之間的距 159190.doc 201230261 離。此情況特定針對於該等由板或層構成之熱交換器。在 操作期間,熱交換器介質流經該連續通道同時轉移熱至該 熱交換器。另-方面該熱交換器熱連接至該熱電模組,使 得獲得自該熱交換器至該熱電模組之良好的熱轉移。 該微型熱交換器可由任意合適材料以任何方式構成。例 如,其可由大塊導熱材料製得,於其中引入連續通道。 任意合適物質可用作該材料,諸如塑料(例如聚碳酸 醋)、液曰曰曰聚合物,諸如購自DuPor^Zenith@、聚喊喊酮 類(PEEK)等。亦可使用金屬,諸如鐵、鋼、鋁或適宜合金 (諸如鉻·鐵、Fecralloy合金)。此外可使用陶究或無機氧化 ^材料’諸如氧仙或氧化錯或堇青石。亦可為由複數種 則述材料組成之複合材料。該微型熱交換器較佳係由耐高 溫合金(UMHMWC) ' Fee感y合金、含銘之鐵合金不 鏽鋼堇月石構成。該等微型通道可以任何適宜方式(例 如藉由雷射方法、蝕刻、鑽孔等)引入塊狀導熱材料。 作爲替代方案’該微型熱交換器亦可由不同板、層或管 構成’其(例如)藉由黏著結合或焊接相繼連接至彼此。在 此It况下該等板、層或管可與該等微通道— 後裝配。 … 極佳藉由燒結方法所得之粉末製造該微型熱交換器。金 屬粉末及陶免粉末皆可用作該粉末。由金屬及陶竞組成、 由不同金屬組成或由不同陶瓷組成之混合物亦可用。,等 合適金屬粉末包括(例如)由鐵素體鋼、F_aii()y合金=不 鏽鋼、且成之A末。藉由燒結方法製造微型熱交換器使得其 159190.doc 201230261 可製造成任意所需結構。 使用金屬作爲製造該微型熱交換器之材料提供良好導熱 性之益處。相比之下,陶瓷具有良好的熱儲存能力,因此 可利用其等(特定言之)補償溫度波動。 若塑料用作製造該微型熱交換器之材料,需要施覆保護 該塑料防止流經該微型熱交換器之廢氣溫度的塗層。此等 塗層亦意指「熱障塗層」。由於該廢氣之高溫,需要塗覆 該由該塑料材料組成之微型熱交換器的全部表面。 本發明採用之微型熱交換器的外部尺寸較佳係6〇χ6〇χ20 至 4〇x4〇x8 mm3。 該微型熱交換器之比熱轉移面積,按照該微型熱交換器 之體積,係較佳自0.1至5 m2/l,極佳自〇.3至3 m2/l,特定 言之自0.5至2 m2/l。 合適之微沒熱父換器係市售的》例如講自the Institut fiir Mikrotechnik Mainz GmbH。該IMM提供多種幾何微結構 熱交換器’且特別是最大操作溫度90(TC之微結構高溫熱 交換器。此等高溫熱交換器具有約80x50x70 mm3之尺寸及 依據該逆流原理之功能(針對其他應用)❶其等具有少於50 mbr之壓力損失及約1 m2/l之比熱交換面。 其他微型熱交換器係藉由VDI/VDE-Technologiezentrum Informationstechnik GmbH (www.nanowelten.de)展示。此 外該等微型熱交換器由Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH、
Wendelsheim 及 SWEP Market Services、Dover Market Services GmbH,Fiirth分公司提供。 159190.doc 201230261 組態該微型熱交換器使得其以具有最佳熱傳導之方式連 接至該熱電模組。依據該結構及物質組成,其可直接導熱 地連接至該熱電模組。該熱電模組亦可為平坦的,且在該 等熱電材料零件上’熱端具有㈣板,其導熱地連接至該 微型熱交換器。該等用於載體板之合適材料係於該引論中 述及。 較佳地该微型熱交換器與該熱電模組形成整體。爲此, 可(例如)在該熱電模組上直接燒結該微型熱交換器。此方 法具有獲得高導熱連接之優勢,該高導熱連接與該等熱電 模組表面之形式無關。 通過該用於氣體流經的熱交換器之連續通道產生的壓力 損失較佳係最大100 nibar,特定言之最大50 mbar。此等壓 力損失並未導致該内燃機之燃料消耗增加。此等壓力損失 係了以實現的,特別是當該微型熱交換器係以該廢氣可平 行流經該等通道且該等通道連接至一端進口及另一端出口 之方式配置時。在此情況下該等廢氣流經之通道的長度係 最大60 mm,特定言之最大4〇 mm。若採用多於一個微型 熱交換器,該等熱交換器同樣地平行連接並連接至共用進 口及共用出口,如此使得該等個別熱交換器之通道同樣地 平行排列。 。玄U型熱父換器之熱交換表面可直接安裝在(特別是)機 動車輔之排氣系統或内燃機之尾管中。在此情況下其可固 定或可移除式安裝。該熱交換表面亦可用該熱電模組牢固 地圍封。 159190.doc •10- 201230261 如果該微型熱交換器具有該催化劑材料之表面塗層,其 可安裝在該排氣系統中該原始廢氣催化轉化器之位置。以 此方式’可&供給該微型熱父換器高廢氣溫度。該溫度因 該微型熱交換器之廢氣催化劑的化學轉化而進一步升高, 如此使得發生比在已知系統中更高效率之熱轉移。 藉由增加熱通量亦實現改善該熱電模組之效率。 此外,可在該熱電模組及該微型熱交換器之間設有用於 防止過高溫度的保護層。該層,亦稱爲相變層,係較佳由 具有250°C至1700°C之熔點範圍的無機金屬鹽或金屬合金 構成。該等合適金屬鹽係(例如)鋰、鈉、鉀、铷、铯、 鎂、鈣、锶及鋇之氟化物、氣化物、溴化物、碘化物、硫 酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽、鉻酸鹽、鉬酸鹽、釩酸鹽及鎢酸 鹽。較佳採用形成二重或三重共晶體之此類型合適鹽的混 合物。其等亦可形成四重或五重共晶體。 或者’可採用如相變材料及其組合之金屬合金,其開始 從諸如鋅、鎂、鋁 '銅、鈣、矽、磷及銻之金屬形成二 重、二重、四重或五重共晶體。在此例中,該等金屬合金 之熔點應在自200°C至1 80(TC之範圍内。 該熱電模組可使用該保護層圍封,特別是當使用諸如 錦、錯、欽、銀及鐵之金屬,或當使用以鎳、鉻、鐵、锆 及/或鈦爲主之合金時。 一或更多個(例如)連續連接之該等熱電模組可整合至該 等内燃機之排氣系統中。在此例中,亦可結合包括不同熱 電材料之熱電模組。一般而言,可使用適於内燃機之廢氣 159190.doc 201230261 之溫度範圍的全部適宜熱電材料。該等適宜熱電材料之實 例係方鈷礦,例如c〇Sb3、RuPdSb6、ΤΧ6(其中T=Co、 Rh、Ir且X=P、As、Sb) ; X2Y8Z24(其中X=鑭系元素、婀系 元素、鹼土金屬、鹼金屬、Th、IV族元素);half-Heusler 化合物諸如TiNiSn、HfPdSn及金屬間合金;籠形物,諸如 ZruSb〗、Sr8Gai6Ge3。、Cs8Sn44、Co4TeSb4 ;氧化物,諸如 NaxCo02、CaCo4〇9 ' Bi2Sr2Co2OySr2Ti04、Sr3Ti2〇7、 Sr4Ti3O10、RmMxCoOK其中R=稀土金屬且M=鹼土金屬); Srn+1Tin〇 3 η + 1 y 其中n為整數;YBa2Cu307_x ;矽化物,諸如
FeSi2、Mg2Si、Mn15Si26 ;硼化物,諸如 b4c、CaB6 ;
BizCe3及其衍生物,PbCe及其衍生物,銻化物,諸如銻化 鋅 ’ Zintl相,諸如 Yb14MnSb4。 本發明亦係關於如上述熱電模組在内燃機之排氣系統 中’較佳在機動車輛中(諸如汽車或卡車)之應用。在此例 中’ S玄熱電模組係特別用於自該廢氣之熱中產生電。 然而’當在該微型熱交換器上有表面塗層時’該熱電模 組亦可反過來用於在(較佳)機動車輛之内燃機之冷起動期 間預熱S亥廢氣催化劑。在此例中,該熱電模組係用作珀爾 帖(Peltier)元件。當電壓差應用於該模組時,該模組將熱 自冷端運輸至熱端。由於該廢氣催化劑之預熱,減少了該 摧化劑之冷起動時間。 此外,本發明進一步關於(較佳)機動車輛之内燃機的排 氣系,、先其包括一或更多個如上述整合至該排氣系統的熱 電模組。在此例中,該排氣系、統意指該連接至該内燃機之 159190.doc 12 201230261 出口並在其中處理該廢氣之系統。 本發月之熱電模組具有許多優點。該内燃機之排氣系統 中的壓力損失低’特料當該微型熱交換器塗覆有該廢氣 催化劑之表面塗層時。該排氣系統之結構可藉由—個整合 之,,且件明顯簡化。由於該整合之組件可在該排氣系統中更 緊达整口至忒内燃機,因而更高的廢氣溫度可供給於該熱 電模組。藉由逆向使用該熱電模組作爲珀爾帖(Peltier)元 件,可在该發動機之低溫啓動階段加熱該廢氣催化劑。 本發明之示例性實例係於圖中闡明並在下列描述中更詳 細解釋。 於該等圖中: 圖3顯示熱電產生器之構造的三維圖。 圖4顯示熱電產生器之層構造的三維圖。 圖3闡明(諸如)可插入(例如)機動車輛之排氣系統的熱電 產生器之構造。 排氣管10(廢氣通過彼離開内燃機)通向歧管丨丨。該歧管 1 1八有/α廢氣流動方向減小之截面積^該歧管1 1础鄰熱交 換器13 °後者連接至該歧管11,以此方式該廢氣流經該等 微型熱父換器13中之該等通道。該等微型熱交換器中之通 道通向集合器15,在廢氣已流經該微型交換器中之該等通 道後經由該集合器15被引入另一排氣管17,該排氣管π通 常終止於内燃機之排氣。 s玄等微型熱交換器13每一側壁係連接至熱電模組19。該 熱電模組19在該微型熱交換器之對側冷卻。爲此,較佳使 159190.doc -13· 201230261 用冷卻液體,例如冷卻水’其流經該熱電模組19。在此例 中,首先可引導該冷卻液體通過熱交換器中(例如,微型 熱交換器)的通道。然而,較佳係在待冷卻之熱電模組19 之一側設有冷卻通道21,該冷卻液體流經此通道,其中該 冷卻通道21的壁面由該熱電模組19形成。 在一較佳實施例中’堆疊微型熱交換器丨3、熱電模組19 及冷卻通道21,其中位於該内部的該微型熱交換器I]在各 者情況下皆在其等對侧連接至熱電模組19且因此,該位於 内部之冷卻通道21亦在各者情況下皆在等對側連接至熱電 模組19。對應層構造藉由圖4中實例説明。此處該層構造 為在各者情況下均為頂面側及底面側的冷卻通道所限制。 該冷卻通道21视鄰熱電模組19 ’其在對側連接至微型熱交 換器13。該微型熱交換器13後接著另一熱電模組19及另一 冷卻通道21。 該層構造使得可盡可能徹底利用該廢氣之熱並在小空間 内使用大量熱電模組19。 除該在圖3及圖4中用層構造闡述之實施例(其中該等個 別層平行於該排氣管10之主要流動軸)以外,亦可設計該 層構造使得該等個別層φ吉於該轴盗总,Λ ^,
管10之主要流動方向。 3亥專個別層在各者 熱電模组19或者複 在該等層之方向如圖3及4中説明時,該 情況下皆可包括一微型熱交換器13及一埶 159190.doc 201230261 數個微型熱交換器13及/或複數個熱電模組19,其等各自 位於彼此旁邊。若使用複數個微型熱交換器13及複數個熱 電模組19’則其等可具有相同尺寸或不同尺寸之接觸區 域°較佳地’該等接觸區域具有相同尺寸,如此使得在各 者情況下一微型熱交換器13連接至一熱電模組19。在此實 施例中’接著可形成複數個堆疊層’其相繼彼此串接,其 中較佳地定位該等個別堆疊層使得該等各自冷卻通道21以 其等進口及出口相互毗鄰,因此形成在系列堆疊層上連續 之冷卻通道。在此例中,選擇該等冷卻通道之方向使得該 冷卻液體及該廢氣被引導相對橫向流入至另—通道。或 者,當然,亦可以其他任何所需方向定向該等冷卻通道。 因此,该等冷卻通道亦可(例如)與該等微型熱交換器中通 道平行排列。 【圖式簡單說明】 圖1顯示觸點之結構。 圖2顯示熱電模組。 圖3顯示熱電產生器之構造的三維圖。 圖4顯示熱電產生器之層構造的三維圖。 【主要元件符號說明】 1 熱電材料 2 層 3 層 4 觸點 5 觸點 159190.doc -15- 201230261 6 導綫 7 導綫 10 排氣管 11 歧管 13 微型熱交換器 15 集合管 17 排氣管 19 熱電模組 21 冷卻通道 159190.doc -16
Claims (1)
- 201230261 七、申請專利範圍·· 1· 一種由p型及η型傳導熱電材料零件組成之熱電模組,其 等經由導電觸點彼此連接,其中該熱電模組(19)導熱地 連接至微型熱交換器(13),該微型熱交換器(13)包括複 數個具有最大直徑1 mm之連續通道,流體熱交換器介質 可流經此通道。 2.如請求項丨之熱電模組,其中該熱電模組係平坦的, 且在彼此連接之熱電材料零件上’在導熱地連接至該微 型熱交換器(13)的高溫端具有承載板。 3·如凊求項1之熱電模組,其中該微型熱交換器(13)與該熱 電模組(19)整體形成。 4.如睛求項!之熱電模組,纟中在該熱電模組及該微型 熱交換器(13)之間設有用於防止過高溫度的保護層。 5·如請求項4之熱電模組,其中該保護層由具有自2贼至 1700 c之熔點範圍的無機金屬鹽或金屬合金構成。 6. 如仴求項1之熱電模組,其中該微型熱交換器之通道係 塗覆以機動車輛廢氣催化劑之表面塗層。 7. 如叫求項6之熱電模組,其中該催化劑催化以下之至少 種轉化.N〇x至氮氣、烴類至c〇2及H2〇,及c〇至 co2。 8. 如請求項]$ 7 i , 主7中任一項之熱電模組,其中通過該用於氣 體流經之献 …乂換的連續通道產生的壓力損失至多係 100 mbr 〇 9. 如凊求項1至7rby 干任一項之熱電模組,其中該微型熱交換 159190.doc 201230261 ίο. 11. 12. 13. 14. 器係由大塊導熱材料製成,於其中引人該等連續通道。 如叫求項1至7中任-項之熱電模組,其中該比熱轉移面 積:按照該微型熱處理器之體積,係自(M至54。 如請求項1至6中任一項之熱電模組,其用於内燃機之排 氣系統,較佳係用於機動車輛。 如吻求項11之熱電模組’其用於自該廢氣之熱產生電。 如明求項6之熱電模組,其用於在内燃機,較佳用於機 動車柄之低溫啓動期間預熱該廢氣催化劑。 一種内燃機、較佳係機動車輛之排氣系統,其包括一或 更多個如請求項1至7中任一項之熱電模組,該等熱電模 組係整合至該排氣系統中。 159190.doc
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