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CN102369611B - 热电发电机单元 - Google Patents

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CN102369611B CN201080014171.XA CN201080014171A CN102369611B CN 102369611 B CN102369611 B CN 102369611B CN 201080014171 A CN201080014171 A CN 201080014171A CN 102369611 B CN102369611 B CN 102369611B
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Abstract

本发明涉及包括至少一个热电模块(2)的热电发电机单元(1)，该热电模块以夹心方式在一侧具有废气换热器(3)并在相对侧上具有冷却剂换热器(4)，其中，废气换热器和冷却剂换热器(3，4)设计成平管，其平坦侧(9，13)分别通过侧壁段(10，20)来连接。根据本发明，侧壁(15)固定到位于外侧的至少两个换热器(3，4)的侧壁段(10，20)，这些侧壁吸收用于均匀、持久地按压热电发电机单元(1)的各个元件(2，3，4)的压紧力。热电模块(2)是通过吸收压紧力的侧壁(15)来进行侧向密封的。

Description

热电发电机单元
本发明涉及包括至少一个热电模块的热电产生单元，该热电模块以夹心方式在一侧具有废气换热器并在相对侧上具有冷却剂换热器，其中，废气换热器和冷却剂换热器设计成平管，其平坦侧分别通过侧壁段来连接。
已长久以来已知了例如与机动车辆结合使用的、充分利用温差来产生电能的热电发电机(TEG)，在这些机动车辆中充分利用内燃机的废气余热。这种发电机单元的热电模块由一组p和n型掺杂柱构成，这些柱在其端部设有电触头。在此充分利用了塞贝克效应(Seebeck-Effekt)，其中，金属或半导体部件两端之间的温差(即，高温段和低温段)引起电位差。
例如从DE 10 2005 005 077A1中已知用于内燃机的热电发电机，该热电发电机连接到排气管道。该发电机具有设置在排气管道处的热部分以及与内燃机的冷却回路相连的冷部分(冷却剂换热器)。热电发电机的各个部分围绕排气管道同心设置并且通过各个在外环绕的环形保持件压到排气管道的表面，在冷却剂换热器部件和环形保持件之间设置弹性部件，以使热电发电机元件保持在如下状态下，即，它们被如此按压到发电机的热部分与冷部分之间，以通过各个部件的不同热膨胀引起的相对运动成为可能。那么问题就在于，尽可能均匀地压合由废气换热器、热电模块和冷却剂换热器构成的连续构件(Abfolge)，以确保良好的热接触，但由于各个组件的热膨胀差异而造成的电压必须保持尽可能小，以避免损坏。
就这点从DE 10 2005 051 309A1中已知一种热电发电机，其具有平坦的废气换热器，其中设置至少两个热电元件且废气换热器以夹心方式设置在两个热电元件之间。借助于两个冷却剂换热器在外面封闭结构单元，其中，由废气换热器与热电元件构成的组件以夹心方式设置在两个冷却剂换热器之间。冷却剂换热器具有设有通孔的、指向外部的舌状固定凸缘。此外，还设有穿过发电机单元的所有部件的中心孔，其中，为了表面按压和固定各个元件而在中心孔中和在通孔中设置带有锁紧螺母的螺纹件。代替螺纹连接件还可使用弹簧夹。
此外，从US 2006/0157102A1中还已知利用例如来自内燃机的余热的系统，该内燃机在平坦的构造中具有带有内部的片状结构的中心高温换热器，其中热电模块放置在两侧处。两个热电模块的外侧分别与低温换热器热接触，其中，低温换热器也具有内部的片状结构。高温换热器中的热废气和低温换热器中的冷却介质平行地但以相对的方向流经热电发电机单元。
根据图1，从JP2007-221895中已知一种具有热电模块的热电发电机单元，这些热电模块一侧与废气换热器(高温换热器)接触，而另一侧与冷却剂换热器(低温换热器)接触。冷却剂换热器和废气换热器实施为平坦管道，其中，各个部件能以平坦的结构堆置并且以节省空间的实施方式来生产。
整个结构通过多个两部分的夹持元件来保持，其中，为了保护免于侵蚀而为TEG模块设置耐热防水框架，该框架被插到废气换热器和冷却剂换热器的相对各槽中。此外，在夹子元件和位于外侧的换热器之间可设置呈膜片弹簧状的弹簧元件，用这些弹簧元件可调节压紧力。
从DE 15 39 330A1中已知一种具有热电模块的热电发电机单元，热电模块呈具有电接触桥形接片(Kontaktbrücke)的热柱(Thermoschenkel)的形式，其在热侧与大容积的换热器管接触并且在冷侧与分布在周界的多个平坦管道接触。平坦管道可沿热柱的轴线方向弹性变形，以能够补偿由于出现的温度差而造成的制造公差和长度变化。平坦管道借助于弓形支架和朝向平坦管道两侧布置的螺纹件固定到中心换热器管。
本发明的目的是，从前述用于能量生产的装置出发提出一种结构上尽可能简单构造的热电发电机单元，其中，借助于简单的手段应实现发电机单元的各个结构元件的均匀和持久的按压。
根据本发明，通过将侧壁固定到至少两个外侧的换热器的侧壁段处来解决该任务，这些侧壁吸收用于均匀、持久地按压热电发电机单元的各个元件的压紧力。
根据本发明，可借助于吸收压紧力的侧壁来封闭热电发电机模块，其中，这些侧壁同时实现夹紧功能和密封功能并且向外光整和均匀地封闭热电模块。侧壁与发电机单元的前端壁和后端壁一起构成基本上闭合的内部空间，在该内部空间中受保护地设置热电模块。
为了可以平衡特别是在热电发电机单元的启动和断开时的与温度相关的压力，弹性地缓冲压紧力是重要的。
因此，根据本发明的第一变型，至少一个弹簧元件，例如波纹弹簧元件或钢板弹簧元件设置在热电模块和废气换热器或者冷却剂换热器之间的至少一个接触面处。
根据本发明的第二变型，废气换热器或者冷却剂换热器的朝向热电模块的平坦侧中的至少一个可沿热电模块的方向被弹性预压紧。例如，弹性预压紧的那侧可以在未组装的状态下沿热电模块的方向具有近似圆柱形的隆起部，它的轮廓在组装状态下被压平，并且以这样的方式均匀地按压TEG元件。
近似圆柱形(棱柱形)壁的在未组装状态下所需的轮廓可根据针对恒定的均布载荷与支点处的适度扭转硬度的弯梁理论来计算出，以实现范围在0.1N/mm2到5N/mm2的对TEG模块的按压力。作为补充，未压紧的轮廓还可关于所有TEG柱的均匀按压借助于TEG模块的有限元分析进行优化。
最后，在发明的第三变型中，热电发电机单元的侧壁可构造成张力弹簧(Zugfeder)。还可同时采用柔性按压的多个上述变型。
根据本发明，发电机单元的侧壁能以各种方式受力配合地和密封地固定到换热器的侧壁段处，即，通过熔焊、粘结或者钎焊，通过铆接或者螺纹连接或者通过卡合或卡扣连接。
下面参考附图更详细地解释本发明。附图示出：
图1是未组装状态下的根据本发明的热电发电机单元的剖视图；
图2是处于组装状态下的根据图1的发电机单元；
图3和图4为未组装和组装状态下的根据图1和2的本发明的发电机单元的变型；
图5至图7是根据图1的未组装状态下的根据本发明的热电发电机单元的其它变型的剖视图；
图8是根据图2的组装状态下的根据本发明的发电机单元的变型的剖视图；
图9是根据本发明的热电发电机单元的三维局部视图；
图10是根据图9的发电机单元的分解图；
图11和图12分别是在未组装和组装状态下，沿图9中线X-X剖切的发电机单元的放大剖视图；
图13和图14是在未组装和组装状态下的根据本发明的热电发电机单元的剖视图，该热电发电机单元包括一个废气换热器和两个冷却剂换热器；
图15是根据本发明的热电发电机单元的另一变型的俯视图；
图16是根据图15的发电机单元的前视图；以及
图17是发电机单元的沿图15的线Y-Y剖切的剖视图。
图1和图2中所示的热电发电机单元1具有热电模块2，该热电模块在一侧与平管废气换热器3并在另一侧与平管冷却剂换热器4热接触。
热电模块2以已知的方式包含n和p掺杂柱5、6(N和P柱)，这些柱在端部设置有电触头7、8并得到互连的帕尔贴元件(Peltierelement)，其向外引出的连接导线在此并未示出。
废气换热器3具有相对的平坦侧9，这些平坦侧经由可实施成弯曲的或倒圆的侧壁段10连接。在相对的平坦侧9的区域中设置薄片11(Lamellen)，较佳为一体式薄片组，这些薄片布置成与平坦侧9基本上成直角，并且起到使气体侧的热交换最大化的作用，同时实现平管3的加强。
冷却剂换热器4具有相对的平坦侧13，这些平坦侧例如通过倒圆的侧壁段20相连接，其中，朝向热电模块2的壁在组装状态下被弹性预压紧。根据图1，平坦管道4的朝向热电模块2的壁13在未组装状态下具有近似圆柱形(棱柱形)隆起部14，其轮廓在组装状态下被压平(参见图2)。隆起部14的轮廓如此进行优化，即，在组装状态下可实现均匀地按压N-和P-柱5、6。
在生产时，根据图1的总体结构借助于已焊接的侧壁15(参见弯曲的侧壁段10中的焊缝21)被压合到一个合适的装置中，直到侧壁15的端部区域到达冷却剂换热器4的壁段并卡进卡合连接部28，该卡合连接部由侧壁15处的肋状物29(Steg)和固定在壁段20中的槽凸肩30(Nutleiste)构成。卡扣连接部28例如可通过密封剂或粘合剂来密封。如在根据图3和4的实施方式中，侧壁15还可借助于两个壁段10和20来焊接。这产生了一个紧凑封闭的单元，在此单元中热电模块2被保护，该单元具有向外的平坦接触面并且因此可没有问题地和节省空间地装入机动车辆。
为了改善废气换热器3和热电模块2之间的热接触并减少摩擦，设置例如碳膜和MoS2涂层的抗摩擦层16(Gleitschichte)。此外，为了改善热电模块2与冷却剂换热器4之间的热接触，设置例如类金刚石碳(DLC)层的接触层17。
在图3和4中示出一实施方式的变型，其中，热电发电机单元1的侧壁15构造成压紧力弹簧27。在生产时，根据图3的整个结构借助于已焊接的侧壁15(参见壁段20中的焊缝21)被压合到一合适的装置中，直到侧壁15的端部区域紧贴废气换热器3的壁段10。然后，力配合通过焊缝21建立在壁段10处(见图4)，这样，处于组装状态的平管冷却剂换热器4经由较佳为密封焊接的侧壁15与平管废气换热器3相连接。两个换热器3、4都设计成抗弯的并且接纳薄片组11。
在根据图5、6、7的实施方式的变型中，为了能更好表现处于无负载状态下的各个弹簧元件，仅示出未组装的状态。焊接到冷却剂换热器4的侧壁段20的侧壁15必须在压合发电机单元1之后还要固定，例如焊接到废气换热器3的侧壁段10处。
在根据图5或6的变型中，在热电模块2和冷却剂换热器4之间的接触面处设置弹簧元件，例如是平坦的波纹弹簧元件33(图5)或平坦的钢板弹簧元件34(图6)。为了改善热交换，可在弹簧元件33、34受压后的空余空间35中放置弹性的导热材料，较佳为导热胶。
在根据图7的实施方式的变型中，同时使用两种不同的弹簧元件。冷却剂换热器4一方面具有弹性隆起部14，另一方面附加地具有冷却剂换热器4和热电模块2之间的钢板弹簧元件34。
在根据图8的实施方式的变型中，仅示出组装状态，在该状态下平管冷却剂换热器4的近似圆柱形(棱柱形)隆起部(见图1)已被压平，因而产生平行的平坦侧13。侧壁15在此通过螺纹连接件36与冷却剂换热器4的侧壁段20相连接，并且焊接到废气换热器3。当然，螺纹连接件36还可布置在废气换热器3那侧。
在图9和10中示出的热电发电机单元1的实施方式的变型(在左侧切断)中，在平管冷却剂换热器4的两侧上分别设置一个热电模块2，该热电模块分别与废气换热器3热接触。具有用于电引线的开口31的侧壁15覆盖两个热电模块2。借助于与废气换热器3紧密连接的侧壁15和发电机10的前端壁和后端壁18(参见图10)构成封闭的内部空间19，该内部空间保护性地容纳热电模块2。用22来表示冷却水入口和分配管道，但未示出相对的冷却水出口。在连接凸缘32中可看到用于两个废气换热器3的气体进入开口25。
如可从放大的剖视图中所看到的，在此，冷却剂换热器4的两壁13被弹性预压紧并具有凸出的隆起部14，隆起部分别与热电模块2接触(参见图11)。在将侧壁15与布置在两侧的废气换热器3的壁区域10组装并焊接起来之后形成紧凑的单元(参见图12)，该单元留空的内部空间19可用泡沫充填。由于侧壁15与冷却剂换热器4的热隔离，侧壁在很大程度上是等温的。这种具有两个废气换热器3的实施方式具有最小化的气体侧热流阻力并且可特别有利地在柴油发动机的废气回流管路区和废气区中使用。
在图13和14中示出一实施方式的变型，其中侧壁15构成两个冷却剂换热器4的侧壁段20之间的形状配合，冷却剂换热器置于废气换热器3的两侧，而热电模块2插设在每一侧上。废气换热器3的侧壁段10与侧壁15热隔离，由此，传热损失由于在很大程度上等温的侧壁15而最小化。
最后在图15至17中示出大功率的实施方式的变型，其中，分别与废气换热器3和冷却剂换热器4相邻的多个热电模块2以两堆叠A和B的夹心方式合并成热电发电机单元1。
图15示出了根据图16中箭头Z的俯视图，图16是前视图，而图17是剖视图。发电机单元1具有前后端壁18，在端壁中有八个气体进入和排出开口25、26，这些开口与八个废气换热器3流体连通。对应的冷却剂换热器4各具有侧向的冷却水入口22和冷却水出口23，其中，在堆叠A和B之间设置有冷却水溢流管24。
在所有的实施方式的变型中，为了实现对流式和同流式的换热器4而平行设置冷却剂换热器4和废气换热器3的平管。
由于根据本发明的发电机单元封闭的实施方式的变型可在很大程度上避免腐蚀侵害，其中，为了使对流导热性最小化，封闭的内部空间19可用高温泡沫，例如用陶瓷泡沫来充填。由此产生具有各处光整和均匀的表面的紧凑的发电机单元1。

Claims (21)

1.一种热电发电机单元（1），具有至少一个热电模块（2），所述热电模块以夹心结构在一侧具有废气换热器（3）并在相对侧具有冷却剂换热器（4），其中，所述废气换热器（3）和冷却剂换热器（4）设计成平管，所述平管的平坦侧（9，13）分别经由侧壁段（10，20）相连接，其特征在于，侧壁（15）至少附连于两个位于外侧的换热器（3，4）的侧壁段（10，20）处，所述侧壁（15）承受用于均匀和持续地将热电发电机单元（1）的各个元件（2，3，4）压到一起的压紧力，所述废气换热器（3）或者所述冷却剂换热器（4）的至少一个朝向所述热电模块（2）的平坦侧（9，13）沿所述热电模块（2）的方向被弹性预压紧。
2.如权利要求1所述的热电发电机单元（1），其特征在于，至少一个热电模块（2）借助于承受所述压紧力的侧壁（15）而侧向密封。
3.如权利要求1或2所述的热电发电机单元（1），其特征在于，在所述热电模块（2）和所述废气换热器（3）或者所述冷却剂换热器（4）之间的至少一个接触面处设置至少一个弹簧元件。
4.如权利要求1所述的热电发电机单元（1），其特征在于，处于未组装状态下的被弹性预压紧的那侧沿所述热电模块（2）的方向具有近似圆柱形的隆起部（14），所述隆起部的轮廓在组装状态下被压平。
5.如权利要求1或2所述的热电发电机单元（1），其特征在于，所述废气换热器（3）和/或所述冷却剂换热器（4）具有用于提高热交换并使平管加强的薄片（11）。
6.如权利要求1或2所述的热电发电机单元（1），其特征在于，为改善所述废气换热器（3）和所述热电模块（2）之间的热接触和减小摩擦而设置有抗摩擦层（16）。
7.如权利要求1或2所述的热电发电机单元（1），其特征在于，为改善所述热电模块（2）和所述冷却剂换热器（4）之间的热接触而设置有接触层（17）。
8.如权利要求3所述的热电发电机单元（1），其特征在于，弹性导热材料设置在由弹簧元件（33，34）压紧的空余空间（35）中。
9.如权利要求1或2所述的热电发电机单元（1），其特征在于，所述热电发电机单元（1）的所述侧壁（15）构造成压紧力弹簧（27）。
10.如权利要求1或2所述的热电发电机单元（1），其特征在于，附连到所述废气换热器（2）和所述冷却剂换热器（4）的所述侧壁（15）与所述发电机单元（1）的前后端壁（18）一起构成除了用于所述热电模块（2）的电引线的开口（31）之外都封闭的内部空间（19）。
11.如权利要求10的热电发电机单元（1），其特征在于，所述封闭的内部空间（19）用高温泡沫来充填，以减少对流式热传递。
12.如权利要求1或2所述的热电发电机单元（1），其特征在于，所述侧壁（15）通过熔焊（21）、粘合或者钎焊与所述废气换热器（3）和/或所述冷却剂换热器（4）的所述侧壁段（10，20）相连接。
13.如权利要求1或2所述的热电发电机单元（1），其特征在于，所述侧壁（15）通过铆接件或螺纹连接件（36）与所述废气换热器（3）和/或所述冷却剂换热器（4）的所述侧壁段（10，20）相连接。
14.如权利要求1或2所述的热电发电机单元（1），其特征在于，所述侧壁（15）通过卡合或卡扣连接件（28）与所述废气换热器（3）和/或所述冷却剂换热器（4）的所述侧壁段（10，20）相连接。
15.如权利要求1或2所述的热电发电机单元（1），其特征在于，所述侧壁（15）构成两个冷却剂换热器（4）的所述侧壁段（20）之间的形状配合，所述侧壁布置在所述废气换热器（3）的两侧，所述废气换热器的侧壁段（10）与所述侧壁（15）热隔离。
16.如权利要求1或2所述的热电发电机单元（1），其特征在于，分别与所述废气换热器（3）和所述冷却剂换热器（4）相邻的多个热电模块（2）以夹心方式组合成热电发电机单元（1）。
17.如权利要求3所述的热电发电机单元（1），其特征在于，所述至少一个弹簧元件是波纹弹簧元件（33）或钢板弹簧元件（34）。
18.如权利要求6所述的热电发电机单元（1），其特征在于，所述抗摩擦层是碳膜或MoS2涂层。
19.如权利要求7所述的热电发电机单元（1），其特征在于，所述接触层为DLC涂层。
20.如权利要求11所述的热电发电机单元（1），其特征在于，所述高温泡沫是陶瓷泡沫。
21.如权利要求8所述的热电发电机单元（1），其特征在于，所述弹性导热材料为导热胶。
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