[发明专利]具有集成热电发生器的废气线路

说明书

本发明涉及一种用于具有集成热电发生器的内燃机的废气线路(exhaust train)及其在由废气热发电中的用途。

热电发生器和Peltier装置本身是长久已知的。在一侧被加热且在另一侧被冷却的p-和n-掺杂半导体通过外部回路带电荷，允许在回路中在负荷下进行电功。此处将热转化成电能的效率在热力学上受Carnot效率限制。因此，(1000-400):1000=60%的效率在热侧1000K和“冷”侧400K的温度下是可能的。然而，迄今仅可以实现至多6%的效率。

如果另一方面将直流电施加至该类装置，则热从一侧传递至另一侧。该类Peltier装置以热力泵操作并且由此适用于冷却设备组件、交通方式或建筑物。相比于常规加热方法，借助Peltier原理加热也是更有利的，因为总是比所供应的能当量传递更多的热。

当前，热电发生器用于航天探测器中以产生直流电，用于管线的阴极腐蚀保护，用于向光和无线电浮标或灯塔供应能量和用于操作收音机和电视机。热电发生器的优点在于其极度可靠性。因此它们不依赖大气条件如大气湿度而操作；不存在材料的缺陷倾向转移(fault-prone transfer)，而是仅存在电荷转移。

热电模块包含p-臂和n-臂，其电串联和热并联连接。图2示出一个该模块。

经典结构包含两个载板，优选陶瓷板，其间交替地施加各个臂。每种情况下两个臂通过端面以导电方式接触。

除了导电接触装置之外，通常将各种额外层施加至实际材料，这些层充当保护层或焊料层。然而，最终通过金属桥建立两个臂之间的电接触。

接触装置为热电组件的重要元件。接触装置表示在组件“心脏”处的材料(负责组件的所需热电效应)和“外部世界”之间的物理连接。该类接触的结构示意性地示于图1中，并且热电模块的结构示于图2中。

在组件内的热电材料1确保组件的实际效应。这为热电臂。存在穿过材料1的电流流动和热流动以使其能够在整个结构中发挥作用。

材料1与至少两侧上的馈线6和7通过接触4和5连接。这里，层2和3意欲代表在材料1与接触4和5之间可能需要的一个或多个中间层(阻挡材料、焊料、助粘剂等)。然而，各自成对联合的段2/3、4/5、6/7不一定相同。这最终同样取决于特定结构和应用，如穿过该结构的电流流动方向和热流动方向那样。

接触4和5发挥重要作用。这些提供材料和馈线之间的紧密接触。如果接触差，则严重损失在此处存在并且可严重限制组件功率。为此，在实践中臂和接触通常压在材料上。接触经受严重的机械负荷。只要涉及较高(或实际上较低)温度和/或热循环，这些机械负荷就甚至进一步提高。掺入组件中的材料的热膨胀导致机械应力，其在极端情况下由于接触断裂而导致组件故障。

为了防止该情况，所用接触必须具有一定柔韧性和弹簧性质以允许补偿该热应力。

为了使整个结构具有稳定性并确保在全部臂上具有必要的热耦合，所述热耦合应尽可能均匀，需要图2所示的那类载板。为此，通常使用陶瓷，例如包含Al₂O₃、SiO₂或AlN的氧化物或氮化物的陶瓷。

关于使用经典结构通常存在限制，因为仅总是平的表面可与热电模块接触。为了确保足够的热流动，模块表面与热源/受热器之间的紧密接触是必不可少的。

当前，尝试着在汽车如客车和卡车的废气线路或废气再循环系统中提供热电模块以由废气的某些热获得电能。在该情况下，热电元件的热侧与废气或废气管连接，而冷侧与冷却系统连接。可产生的功率量取决于废气温度和从废气至热电材料的热流动。为了使热流动最大化，通常在废气管中安装配件。然而，这些经受限制，因为例如安装换热器通常导致废气中压力损失，又导致内燃机消耗增加，有些不能容忍。

在实践中，热电发生器通常安装在废气催化转化器后面的废气线路中。与废气催化转化器中压力损失一起，这通常导致过度压力损失，由此在废气线路中不提供导热配件，而是热电模块相对于废气管外侧放置。为此，通常需要使废气管具有有角横截面，由此使平面外表面能够与热电材料紧密接触。然而，迄今热传递不是十分令人满意。

本发明目的为在内燃机用废气线路中设置热电发生器，意图为在操作热电发生器期间应存在尽可能大的温差。意图尤其为改进从废气至热电发生器的热传递。

根据本发明，该目的通过具有集成热电发生器的内燃机用废气线路实现，其中废气线路具有至少一个导管，废气流经所述导管并且在所述导管中至少一个热电模块以热电模块的热侧与废气直接接触而热电模块的冷侧借助热传递介质冷却的方式设置。