微换热器与热电模块的集成组件制造技术

在微换热器与热电模块的集成组件中，热电模块(19)包括经由导电接触彼此交替连接的p型和n型导电热电材料片，该热电模块被导热连接到具有多个连续通道的微换热器(13)。提供流体换热器介质以流过所述直径至多为1mm的连续通道。所述微换热器(13)具有接收所述p型和n型导电热电材料片的整体模制的容器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微换热器与热电模块的集成组件
本专利技术地涉及适合于安装在内燃机的排气系统中的热电模块。
技术介绍
热电发电机及其自身的帕尔贴布置长期被人所知。一侧加热，另一侧冷却的P和η掺杂半导体通过外部电路传输电荷，从而对电路中的负载执行电功。因此，所实现的热能到电能转换效率在热力学上受卡诺效率限制。这样，当热侧温度为1000Κ，“冷”侧温度为400Κ时，可实现(1000-400)+1000 = 60%的效率。但迄今为止，所能实现的效率最多达到6%。另一方面，如果对此布置施以直流电流，则热量被从一侧传递到另一侧。这种帕尔贴布置的工作为热泵，因此适合于冷却设备部件、车辆或建筑。通过帕尔贴原理实现的加热比传统加热更受欢迎，因为对应于所提供的等量能量始终会传递更多的热。目前，热电发电机用于在航天探测器中产生直流电流，用于管道的阴极腐蚀保护，用于灯浮标和无线电浮标的能量供给，以及用于收音机和电视机的操作。热电发电机的优点在于其出色的可靠性。它们操作时无需考虑相对湿度之类的大气条件；不会发生任何易受干扰的材料输运，而是只有电荷输运。热电模块由实现电串联和热并联的P型和η型片(piece)构成。图2示出这种模块。传统的结构由两个陶瓷板构成，在这两个陶瓷板之间交替安装各个片。在每种情况下，两个片都会通过端面进行导电接触。除了导电接触之外，一般还在实际材料上设置各种进一步的层，这些层充当保护层或焊料层。最后，两个片之间的电接触通过金属桥建立。热电部件的基本要素在于接触。通过接触建立部件(负责所需的部件的热电效应)“核心”材料与“外界”之间的物理连接。这种接触的结构在图1中示意性地表示出来。部件内的热电材料I提供部件的实际效果。它是热电片。电流和热通量流过材料1，以使其在整体结构中执行其功能。材料I在至少两侧上通过接触4和5分别与引线6和7相连。层2和3在该实例中旨在用符号表示材料与接触4和5之间的一个或多个可选地需要的中间层(阻挡材料、焊料、接合剂等)。分别彼此两两关联的段2/3、4/5、6/7可以完全相同，尽管它们不必如此。这样最终同样取决于特定的结构和应用，以及通过结构的电流或热通量的流向。现在接触4和5具有重要作用。它们确保材料与引线之间的紧密连接。如果接触差，则在此会发生高损失，并可能严重限制部件的性能。为此，经常将片和接触压在材料上进行使用。这样，接触便暴露到强机械负荷。每当升高(降低)温度和/或执行热循环时，该机械负荷便进一步增加。部件内置材料的热膨胀不可避免地导致机械应力，这种应力在极端情况下会导致接触断裂，从而使部件故障。为了避免此现象，所使用的接触必须具有一定的挠性和弹性特征，这样便可补偿热应力。为了使整体结构具有稳定性，同时确保每个片上具有所需的最大均匀热耦合，需要载板。为此，一般使用陶瓷，例如由Al203、Si02 *A1N之类的氧化物或氮化物制成的陶瓷板。传统的结构通常在应用方面受到限制，因为在每种情况下，只有平面表面与热电模块接触。为确保充足的热通量，模块表面与热源/散热器之间的紧密连接不可缺少。诸如圆形废热管之类的非平面表面不适合与传统模块直接接触，或者它们需要相应的竖直换热器结构以便提供从非平面表面到平面模块的过渡。目前已尝试在汽车和卡车之类机动车辆的排气系统或排气再循环位置中提供热电模块，以便通过一部分排气热量获取电能。在这种情况下，热电元件的热侧连接到排气或尾管，而冷侧连接到冷却器。可产生的电力的量取决于排气温度以及从排气到热电材料的热通量。为了最大化热通量，通常在尾管中设置器件。但是这样做有所限制，例如，安装换热器经常造成排气压力损失，这样反过来导致内燃机的无法容忍的消耗增加。传统上，安装热电发电机是为了在排气系统中的排气催化转换器之后使用。与排气催化转换器的压力损失一起，这通常导致压力损失过大，使得无法在排气系统中设置导热器件；而是，热电模块承载在尾管外部。为此，尾管必须配备多边形横截面才能使平坦外表面与热电材料紧密接触。WO 2010/130764公开了换热器和用于通过热电模块将流体的热能转换为电能的方法。导引流体的流动道道由陶瓷材料制成以减少热膨胀。DE 20 2010 003 049 Ul涉及借助热电发电机模块使用机动车辆排气产生电能的装置。排气流可被引导通过热电模块或经过旁路。2010年11月10日提交的欧洲专利申请10 100 614.7，以及2010年10月4日提交的欧洲专利申请10 186 366.0涉及由导热连接到微换热器的热电模块构成的热电模块，这两个专利申请均在本专利申请的提交日期公开。热传递和发生的压力损失到目前为止均不令人满意。热电模块与微换热器的系统有时很复杂，难以组装。需要热电模块/微换热器系统的简易组件。
技术实现思路
本专利技术的目标是提供一种用于安装在内燃机的排气系统中的热电模块，这可避免已知模块的弊端并确保更佳的具有低压力损失热传递以及更容易的组装。根据本专利技术，目标通过P型和η型导电热电材料片(piece)构成的热电模块实现，该热电片经由导电接触彼此交替连接，其中该热电模块(19)被导热连接到微换热器(13)，该微换热器包括多个直径至多为1_的连续通道，流体换热器介质可通过这些通道流动，其中以下方式整体形成该微换热器(13)与该热电模块(19)以形成该微换热器(13)与热电模块(19)的集成组件:该微换热器(13)具有接收经由导电接触彼此交替连接的该P型和n型导电热电材料片的整体模制的容器。微换热器的通道尤其有利地涂覆内燃机排气催化剂(特别地，机动车辆排气催化齐U)的涂层(washcoat)。通过这种方式，可以不使用单独的排气催化转换器，并且最小化排气系统的压力损失。这种集成设计简化了整体结构并便利排气系统中的安装。通过使用微换热器，可确保改善的从排气到热电模块的热通量，同时使压力损失变得足够低。根据本专利技术，排气通过该微换热器的该微通道流动。在这种情况下，该通道优选地涂覆排气催化剂，该催化剂特别地催化以下一种或多种转化:N0X到氮的转化、碳氢化合物到CO2和H2O的转化，以及CO到CO2的转化。特别有选地，催化所有这些转化。诸如Pt、Ru、Ce、Pd之类适当的活性催化材料是公知的,例如在Stone R等人发表于 Society of Automotive Engineers2004 (2004 汽车工程师协会会刊)的 “AutomotiveEngineering Fundamentals (汽车工程基本原理)”中对这些材料进行了描述。这些活性催化材料以适当的方式施加到该微换热器的通道上。优选地，可构想以涂层的形式施加。在这种情况下，催化剂作为薄层以悬浮体(suspension)的形式施加到该微换热器的内壁上，或者施加到其通道上。然后，该催化剂由单个层构成或具有相同或不同组分的多个层构成。所施加的催化剂然后在机动车辆中使用期间可全部或部分地替代常用的内燃机排气催化转换器，这取决于该微换热器及其涂层的尺寸。根据本专利技术，术语“微换热器”旨在表示具有多个直径至多为Imm的连续通道的换热器，它们的直径特别优选地至多为0.8_。最小直径仅根据技术可行性设定，优选地被设定为50 μ m,特别优选地为100 μ m。该通道具有适当的横截面，例如圆形、椭圆形、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由p型和n型导电热电材料片构成的热电模块，所述p型和n型导电热电材料片经由导电接触彼此交替连接，其中所述热电模块(19)被导热连接到微换热器(13)，所述微换热器包括多个直径至多为1mm的连续通道，流体换热器介质可通过该通道流动，其中通过以下方式整体形成所述微换热器(13)与所述热电模块(19)以形成所述微换热器(13)与热电模块(19)的集成组件：所述微换热器(13)具有接收经由导电接触彼此交替连接的所述p型和n型导电热电材料片的整体模制的容器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.04 US 61/542,8351.一种由P型和η型导电热电材料片构成的热电模块，所述P型和η型导电热电材料片经由导电接触彼此交替连接，其中所述热电模块(19)被导热连接到微换热器(13)，所述微换热器包括多个直径至多为1_的连续通道，流体换热器介质可通过该通道流动，其中通过以下方式整体形成所述微换热器(13)与所述热电模块(19)以形成所述微换热器(13)与热电模块(19)的集成组件:所述微换热器(13)具有接收经由导电接触彼此交替连接的所述P型和η型导电热电材料片的整体模制的容器。2.根据权利要求1的热电模块，其中在所述容器中放置导电接触，之后插入格片固体基体结构，该基体结构具有凹槽以容纳插入其中的所述P型和η型导电热电材料片，冷侧导电接触被置于所述P型和η型热电材料上并且最终施加冷侧电绝缘，以便形成所述热电模块(19)。3.根据权利要求2的热电模块，其中具有所述整体模制的容器的所述微换热器(13)通过选择性激光烧结(SLS)形成。4.根据权利要求1的热电模块，其中在邻近所述微换热器(13)的表面上的所述容器内部设置用于防止过高的温度的保护层。5.根据权利要求4的热电模块，其中所述保护层由熔点在250°C到1700...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·穆尔斯，P·伦茨，P·马鲁达恰拉姆，F·A·莱维特，J·W·麦科伊，
申请(专利权)人：巴斯夫欧洲公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE