用于排气系统的热电发电机和用于热电发电机的接触元件技术方案

一种热电发电机，包括：具有用于引导热流体的入口和出口的第一流动通道，其入口和出口确定用于热流体的第一流动方向；具有用于引导冷流体的入口和出口的第二流动通道，其入口和出口确定用于冷流体的第二流动方向；多个热电偶被沿第一流动方向彼此相邻地布置在第一流动通道与第二流动通道之间；被布置在多个热电偶与第一流动通道的壁部之间的第一接触元件，第一接触元件具有配属于各个热电偶的接触部段，接触部段提供在分别附属的热电偶与第一流动通道的壁部之间的导热连接；被布置在多个热电偶与第二流动通道的壁部之间的第二接触元件，第二接触元件具有配属于各个热电偶的接触部段，接触部段提供在分别附属的热电偶与第二流动通道的壁部之间的导热连接。第一和第二接触元件的配属于第一热电偶的接触部段的传热热阻的总和大于第一和第二接触元件的配属于第二热电偶的接触部段的传热热阻的总和，第一热电偶沿第一流动方向布置在第二热电偶上游。此外公开了一种用于这种热电发电机的接触元件。

A thermoelectric generator for the exhaust system and a contact element for a thermoelectric generator

A thermoelectric generator, including: for the first flow channel guide hot fluid entrance and exit, entrance and exit for the first to determine the flow direction of the thermal fluid; having a second flow passage guide cold fluid entrance and exit, the entrance and exit for second to determine the flow direction of cold fluid; multiple thermocouples are to each other along a first direction of flow adjacent to the flow channel is arranged between the first and second flow channels are arranged; the first contact element between a plurality of thermocouple with the first flow channel wall, the first contact element with thermocouple contact belonging to each section, contact section provides heat conduction between the thermocouple in the affiliated respectively. With the first flow channel wall connection is arranged; the second contact element between a plurality of thermocouple and a second flow path of the wall, The second contact element has a contact section which belongs to each thermocouple. The contact section provides thermal connection between the attached thermocouple and the wall part of the second flow channel. The total thermal resistance of contact thermal resistance contact section combined section of the first and second contact elements with the first belongs to the thermocouple is greater than the first and second contact with the second belongs to the thermocouple, thermocouple first along the first flow direction are arranged in the second upstream of the thermocouple. In addition, a contact element for this thermoelectric generator is disclosed.

【技术实现步骤摘要】
用于排气系统的热电发电机和用于热电发电机的接触元件
本专利技术涉及一种热电发电机，该热电发电机适合用于，将包含在热流体中的(例如在内燃机驱动的车辆的排气中的)热能至少部分地转换为电能。以这种方式在系统中——在所述系统中包含在热流体中的热能作为损耗积累，系统的总效率提高。在车辆的情况下结果是每行驶公里的燃料消耗和排放降低。本专利技术还涉及一种用于这种热电发电机的接触元件。
技术介绍
热电发电机(TEG)将热量(具体是贯穿热电发电机的热流)直接转换为电能。为此，热电发电机由多个热电偶(该多个热电偶通常也被称为“热电模块”)(TEM)构成，多个热电偶被安装在热电发电机的冷侧与热侧之间并电串联和/或并联。在热电偶中将热能实际转换为电能。该转换可以基于不同的效应(例如塞贝克效应和汤姆逊效应)。为了促成在冷侧或热侧与热电偶之间的导热，热电发电机通常具有一个或多个由高导热性材料制成的接触元件。这种接触元件特别用于，使表面不平坦处变平坦并因此能够实现在热电偶的全表面上的导热。在此，使用温度范围——在该使用温度范围内已知的热电偶具有可接受的效率——相对窄。在使用温度范围内，热电偶的效率由冷侧与热侧之间的温度差确定。效率还确定由热电偶提供的(电)压。常用的热电偶基本上由Bi2Te3，PbTe，SiGe，BiSb或FeSi2制成。在应用热电发电机时重要的是，将灵敏的(特别是压力敏感的)热电偶这样集成在流体流(例如内燃机驱动的车辆的排气系)中，使得在热电偶的表面上存在最大可用的温度差。同时不应或仅应轻微地提高对流体的反压力，这是因为提高的反压力也提高了对于流体运输所需要的能量(和因此在内燃机驱动的车辆中提高燃料消耗)。最后，热电偶应通过以下方式尽可能在一个使用温度范围中运行，即该热电偶具有可接受的效率。这个问题的解决在应用在车辆中时由于车辆中或车辆下方的狭窄的结构空间而额外变得困难。热电发电机在内燃机驱动的车辆的排气系统中的应用由现有技术已知。作为例子参考文献EP1475532A2、JPH07-012009A和WO2009/138158A1。由文献WO2009/138158A1已知，将所应用的热电发电机的冷侧与冷却剂循环回路连接并且因此冷却。此外由文献WO2009/138158A1已知，通过冷却片提高所应用的热电发电机的热侧上的热排气的热量吸收。在此，冷却片密度或所应用的冷却片类型沿排气流的流动方向应该是不同的，因此对于热电偶来说在热排气流上游的导热性比对于热电偶在热排气流下游的导热性低。在上述系统中不利的是，通常将多个被设计为用于不同使用温度范围的热电发电机与旁路连接地用于热流体，以便能够在热流体温度波动的情况下整体上使用热流体的宽广的温度范围。但是旁路具有大的位置需求并由于多个应用的热电发电机而是昂贵的。此外在上述系统中通常存在以下问题：沿热流体的流动方向依次/串联布置的热电发电机热电偶由于从热流体中抽出的热能而被加载不同的温度差。其结果是，热电偶产生不同大小的电压(并提供不同的功率)，这引起下述电力电子设备的复杂结构。此外在上述系统中出现以下问题：必须避免被布置在热流体上游的热电发电机热电偶的热过载。最后，热电发电机的安装由于多个部件(热电偶和接触元件)而是成本高的。
技术实现思路
由此出发，本专利技术的目的在于，提供一种紧凑型热电发电机，用于将包含在流体中的热能转换成电能，其具有特别宽广的使用温度范围并且能简单地制造。本专利技术的另一个目的在于，提供一种紧凑型热电发电机，用于将包含在流体中的热能转换为电能，其中，所有形成热电发电机的热电偶被加载基本上相同的热流。在此，基本上相同的热流应理解为以下所述的热流，其中，向各个热电偶所加载的热流的功率彼此的偏差小于20％和特别是小于10％。因此，热电偶也具有基本上相同的功率。本专利技术的另一个目的在于，最终提供一种用于将包含在流体中的热能转换为电能的紧凑型热电发电机，其中，被布置在热流体上游的热电偶被避免热过载。本专利技术的另一个目的在于，为这种热电发电机提供一种合适的接触元件，该接触元件简化了安装投入。上述目的通过独立权利要求的特征组合来实现。在从属权利要求中给出优选的改进方案。热电发电机的实施方式包括：用于引导热流体的第一流动通道；用于引导冷流体的第二流动通道；多个热电偶，所述多个热电偶被布置在第一流动通道与第二流动通道之间；被布置在所述多个热电偶与第一流动通道的壁部之间的第一接触元件；和，被布置在所述多个热电偶与第二流动通道的壁部之间的第二接触元件。第一流动通道具有入口和出口，该入口和出口确定用于热流体的第一流动方向。热流体因此通过第一流动通道的入口进入第一流动通道中并通过其出口离开第一流动通道。相应地，第二流动通道也具有入口和出口，该入口和出口确定用于冷流体的第二流动方向。冷流体因此通过第二流动通道的入口进入第二流动通道中并通过其出口离开第二流动通道。所述多个热电偶中的一定数量的热电偶被这样布置在第一流动通道与第二流动通道之间，即一定数量的热电偶沿第一流动方向成对地彼此相邻(由此使得热电偶沿第一流动方向依次地布置)。在此，相邻的热电偶可以直接彼此邻接，或彼此间隔开。被布置在所述多个热电偶与第一流动通道的壁部之间的第一接触元件具有配属于各个热电偶的接触部段，该接触部段提供在分别附属的热电偶与第一流动通道的壁部之间的导热连接。该导热连接具有传热热阻并且可以有利于导热(在相对较低的传热热阻的情况下)或阻碍导热(在相对较高的传热热阻的情况下)。相应地，被布置在所述多个热电偶与第二流动通道的壁部之间的第二接触元件也具有配属于各个热电偶的接触部段，该接触部段提供在分别附属的热电偶与第二流动通道的壁部之间的导热连接。该导热连接具有传热热阻并且可以有利于导热(在相对较低的传热热阻的情况下)或阻碍导热(在相对较高的传热热阻的情况下)。第一接触元件和第二接触元件的、配属于第一热电偶的接触部段的传热热阻的总和大于第一接触元件和第二接触元件的、配属于第二热电偶的接触部段的传热热阻的总和，所述第一热电偶被沿第一流动方向布置在第二热电偶上游(该第一热电偶更加靠近用于热流体的入口，该第二热电偶被更远地和用于热流体的入口间隔开)。在此，在本文献中形容词“热”表示在第一流动通道中引导的流体，该流体具有比在第二流动通道中引导的“冷”流体高的温度。此外，在本文献中概念“流动通道”一般表示引导流体流动的体部、例如管道。优选地，引导流体流动的体部具有恒定的横剖面。概念“热电偶”在本文献中表示电的结构元件，该结构元件允许将热量直接转换为电能。最后，在本文献中将概念“传热热阻”理解为相应的接触元件的相应的接触部段的传热系数和通过面尺寸的乘积的倒数。传热系数可以通过确定在一时间段内通过相应的接触部段传递的热量来确定，其中，根据一个实施方式将下述的温度差用作在相应的接触部段上游和下游的温度差，在所述温度差的情况下，附属的热电偶具有最大效率。另选地可以为了确定传热系数应用800℃(热侧)和300℃(冷侧)的温度差。利用上述结构可以实现，在热流体的温度整体上高于现有技术的情况下驱动热电发电机，这是因为在第一流动通道的入口中接近布置的热电偶的热过载可以通过有意设置相应高的传热热阻用于附属于相应的热电偶的第一接触元件接触部段来防止。因此对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电发电机(7)，包括：第一流动通道(1)，其具有用于引导热流体的入口(11)和出口(12)，其中，第一流动通道(1)的入口(11)和出口(12)确定用于热流体的第一流动方向(10)；第二流动通道(2)，其具有用于引导冷流体的入口(21)和出口(22)，其中，第二流动通道(2)的入口(21)和出口(22)确定用于冷流体的第二流动方向(20)；多个热电偶(3；31，32，33)，所述多个热电偶被沿第一流动方向(10)彼此相邻地布置在第一流动通道(1)与第二流动通道(2)之间；被布置在所述多个热电偶(3；31，32，33)与第一流动通道(1)的壁部之间的第一接触元件(4)，该第一接触元件具有配属于各个热电偶(3；31，32，33)的接触部段(41，42，43)，该第一接触元件的接触部段提供在分别附属的热电偶(3；31，32，33)与第一流动通道(1)的壁部之间的导热连接；和被布置在所述多个热电偶(3；31，32，33)与第二流动通道(2)的壁部之间的第二接触元件(5)，该第二接触元件具有配属于各个热电偶(3；31，32，33)的接触部段(51，52，53)，该第二接触元件的接触部段提供在分别附属的热电偶(3；31，32，33)与第二流动通道(2)的壁部之间的导热连接；其中，第一接触元件(4)和第二接触元件(5)的、配属于第一热电偶(31)的接触部段(41，51)的传热热阻的总和大于第一接触元件(4)和第二接触元件(5)的、配属于第二热电偶(32)的接触部段(42，52)的传热热阻的总和，所述第一热电偶被沿第一流动方向(10)布置在第二热电偶(32)上游。...

【技术特征摘要】
2016.06.09 DE 102016110625.91.一种热电发电机(7)，包括：第一流动通道(1)，其具有用于引导热流体的入口(11)和出口(12)，其中，第一流动通道(1)的入口(11)和出口(12)确定用于热流体的第一流动方向(10)；第二流动通道(2)，其具有用于引导冷流体的入口(21)和出口(22)，其中，第二流动通道(2)的入口(21)和出口(22)确定用于冷流体的第二流动方向(20)；多个热电偶(3；31，32，33)，所述多个热电偶被沿第一流动方向(10)彼此相邻地布置在第一流动通道(1)与第二流动通道(2)之间；被布置在所述多个热电偶(3；31，32，33)与第一流动通道(1)的壁部之间的第一接触元件(4)，该第一接触元件具有配属于各个热电偶(3；31，32，33)的接触部段(41，42，43)，该第一接触元件的接触部段提供在分别附属的热电偶(3；31，32，33)与第一流动通道(1)的壁部之间的导热连接；和被布置在所述多个热电偶(3；31，32，33)与第二流动通道(2)的壁部之间的第二接触元件(5)，该第二接触元件具有配属于各个热电偶(3；31，32，33)的接触部段(51，52，53)，该第二接触元件的接触部段提供在分别附属的热电偶(3；31，32，33)与第二流动通道(2)的壁部之间的导热连接；其中，第一接触元件(4)和第二接触元件(5)的、配属于第一热电偶(31)的接触部段(41，51)的传热热阻的总和大于第一接触元件(4)和第二接触元件(5)的、配属于第二热电偶(32)的接触部段(42，52)的传热热阻的总和，所述第一热电偶被沿第一流动方向(10)布置在第二热电偶(32)上游。2.根据权利要求1所述的热电发电机(7)，其中，第一接触元件(4)在第一接触元件的接触部段(41，42，43)中的不同的传热热阻基于一个或多个以下措施：第一接触元件(4)在第一热电偶(31)与第一流动通道(1)之间的接触部段(41)中的厚度大于第一接触元件(4)在第二热电偶(32)与第一流动通道(1)之间的接触部段(42)中的厚度；和/或第一接触元件(4)在第一热电偶(31)与第一流动通道(1)之间的接触部段(41)中具有比在第二热电偶(32)与第一流动通道(1)之间的接触部段(42)中低的高导热性材料含量；和/或第一接触元件(4)在第一热电偶(31)与第一流动通道(1)之间的接触部段(41)中的实际横剖面面积小于第一接触元件(4)在第二热电偶(32)与第一流动通道(1)之间的接触部段(42)中的实际横剖面面积；和/或在第一接触元件(4)的接触部段(41)中和第一热电偶(31)处于接触状态中的表面的尺寸小于在第一接触元件(4)的接触部段(42)中和第二热电偶(32)处于接触状态中的表面的尺寸。3.根据权利要求1或2所述的热电发电机(7)，其中，第二接触元件(5)在第二接触元件的接触部段(51，52，53)中的不同的传热热阻基于一个或多个以下措施：第二接触元件(5)在第一热电偶(31)与第二流动通道(2)之间的接触部段(51)中的厚度和第二接触元件(5)在第二热电偶(32)与第二流动通道(2)之间的接触部段(52)中的厚度不同；和/或第二接触元件(5)在第一热电偶(31)与第二流动通道(2)之间的接触部段(51)中的高导热性材料含量和第二接触元件(5)在第二热电偶(32)与第二流动通道(2)之间的接触部段(52)中的高导热性材料含量不同；和/或第二接触元件(5)在第一热电偶(31)与第二流动通道(2)之间的接触部段(51)中的实际横剖面面积和第二接触元件(5)在第二热电偶(32)与第二流动通道(2)之间的接触部段(52)中的实际横剖面面积不同；和/或在第二接触元件(5)的接触部段(51)中和第一热电偶(31)处于接触状态中的表面的尺寸和在第二接触元件(5)的接触部段(52)中和第二热电偶(32)处于接触状态中的表面的尺寸不同。4.根据权利要求1，2或3所述的热电发电机(7)，其中，所述第一接触元件(4)和第二接触元件(5)中的至少一个在配属于第一热电偶(31)的接触部段(41，51)与配属于第二热电偶(32)的接触部段(42，52)之间具有分隔区域(45，55)，在所述分隔区域中的传热热阻相对于相邻的接触部段(41，42；51，52)的平均传热热阻提高至少五倍；或其中，所述第一接触元件(4)和第二接触元件(5)中的至少一个在配属于第一热电偶(31)的接触部段(41，51)与配属于第二热电偶(32)的接触部段(42，52)之间具有分隔区域(45，55)，在所述分隔区域中的传热热阻相对于相邻的接触部段(41，42；51，52)的平均传热热阻提高至少十倍。5.根据权利要求1至4中任一项所述的热电发电机(7)，其中，第一接触元件(4)在至少一个接触部段(41，42)中具有最大伸展范围被沿第一流动方向(10)定向的至少一个缺口(46)；和/或其中，第二接触元件(5)在至少一个接触部段(51，52)中具有最大伸展范围被沿第二流动方向(20)定向的至少一个缺口(56)。6.根据权利要求1至5中任一项所述的热电发电机(7)，其中，第一接触元件(4)在配属于第一热电偶(31)的接触部段(41)与配属于第二热电偶(32)的接触部段(42)之间具有最大伸展范围被横向于第一流动方向(10)定向的至少一个缺口(45)；和/或其中，第二接触元件(5)在配属于第一热电偶(31)的接触部段(51)与配属于第二热电偶(32)的接触部段(52)之间具有最大伸展范围被横向于第二流动方向(20)定向的至少一个缺口(55)。7.根据权利要求1至6中任一项所述的热电发电机(7)，其中，第一接触元件(4)在配属于第一热电偶(31)的接触部段(41)中的传热热阻大于第一接触元件(4)在配属于第二热电偶(32)的接触部段(42)中的传热热阻。8.根据权利要求1至7中任一项所述的热电发电机(7)，其中，当第一流动方向(10)和第二流动方向(20)被相同地定向时，第二接触元件(5)在配属于第一热电偶(31)的接触部段(51)中的传热热阻大于第二接触元件(5)在配属于第二热电偶(32)的接触部段(52)中的传热热阻，和其...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·盖瑟，F·弗罗贝纽斯，M·亨泽，
申请(专利权)人：埃贝施佩歇尔排气技术有限及两合公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE