[发明专利]用于将热气体流的热转换成电能的热电发生器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于将热气体流中的热转换成电能的热电发生器、一种包括这种热电发生器的轨道车辆、以及一种用于制造这种热电发生器的方法。

背景技术

例如，DE102009058550A1披露了热电发生器在内燃发动机的废气管线中的应用。采用这种方式，废气流的热可以转换成电能。发生器的具有多个串联连接地布置于高温侧与低温侧之间的热电元件的热电模块相应地位于高温侧上的模块壳体板与低温侧之间。模块壳体板属于完全包围热电元件和柔性补偿元件的模块壳体的一部分。热电元件的损坏和污染通过由此形成的被完全封围的模块而得以避免。

WO2011/107282A1描述了一种利用机动车的内燃发动机中的废气热的装置。废气流过穿过的壳体具有用于废气流的入口和出口。多个热电模块以导热的方式安装在壳体上。模块延伸穿过管部的开口并由此伸入壳体的流动通道内和壳体外的冷却气体流内。导热翅片可以被提供以提高热电模块的热耦合性。

本发明不局限于热电发生器在内燃发动机、例如火车头的柴油发动机的废气管线内的使用。而是，热气体流也可以是除了废气流之外的例如工业生产和/或加工设施或火力发电设备(例如CHP单元)中的气体流。尤其，还可能的是，热气体流借助换热器与例如内燃发动机的废气流耦合，或与别的热流耦合，并由此来自热流的热通过换热器传给沿着热电发生器的高温侧流动的热气体流。在该变型例中，热气体流将用作例如废气流或广泛的说是热的热源与热电发生器的高温侧之间的传热介质。

热电发生器的一个问题是在热周期进程中的热膨胀和热收缩，这些热周期是由内燃发动机或更广泛的是热的热源的负载变化所引起的并且相应地在运行开始时以热电发生器的加热而开始并在运行结束时以热电发生器的冷却来结束。WO2011/107282A1中所描述的废气热利用装置由于热电模块容置在壳体壁的开口内而确实允许在温度梯度的方向上不受约束的热膨胀，所述温度梯度的方向从壳体外延伸向壳体内部。然而，热诱导的对热电模块的约束横向于温度梯度的方向地发生。

另一问题是从热向电能的转换效率。除了热电元件的材料选择之外，有效的温度差也是重要的。热电模块的高温侧与低温侧之间的温度差较大时效率也较高大。在运行过程中，只有高温侧上的热的一部分被转换成电能。热的另一部分不仅在高温侧上而且还在低温侧上加热热电模块，即使加热的程度较小。为此，WO2011/107282A1中的装置的壳体在它的外侧上被冷却。

尽管被冷却，但是温度差仍会例如具有恒定的热气体流和恒定的冷却流体流的静止状态下在热电模块上形成，所述温度差远小于热气体流与冷却流体流之间的温度差。材料对在高温侧上的接触部与材料对在低温侧上的接触部之间的距离在实际上通常只有几毫米。

除了热电模块的高温侧上的可利用的热流(其一部分会被转换成电能)之外，寄生热流会在高温侧与低温侧之间产生并会流动穿过热电模块。这些寄生热流在一方面经由热电模块环境中的气体空间通过导热、对流换热和热辐射进行传递，在另一方面通过高温侧与低温侧之间的固体热桥进行传递。除了WO2011/107282A1所描述的热电发生器之外的热电发生器中的这些固体热桥例如由旨在使得热电模块的机械负载保持为较低的支撑结构形成。

具有多个尤其串联连接的热电元件的热电模块的使用的又一问题在于热电模块对于热气体流中的组分的敏感性。将半导体材料用于热电元件是常规的。然而，热电元件的承载件、尤其是板状承载件对于热气体流中的组分是敏感的。例如如果热电模块的表面区域是铜镀的话就会存在这种问题。尤其，废气流中颗粒以及其它组分、比如硫会通过化学反应损坏热电模块的表面。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种用于将热气体流的热转换成电能的热电发生器，所述热电发生器使得热气体流中的热能够高效率地转换成电能，使得能够具有高数量的热周期而没有由于机械约束而损坏或破坏热电模块，并且还保护了热电元件和/或模块以免受热气体流的组分。另一目的在于提供一种包括这种热电发生器的轨道车辆以及一种用于制造这种热电发生器的方法。

根据本发明的一基本构思，用于将来自热气体流的热传递给相应的热电模块的换热器被使用。这种换热器的一种示例是WO2011/107282A1中提及的导热翅片，所述导热翅片从热电模块伸入热气体流中。通常而言，由尤其具有尽可能高的导热系数的固体材料制成的部件(导热体)优选充当换热器。这种材料的一种示例是铝。