[发明专利]用于从废气热量中回收能量的回热器及构造回热器的方法

说明书

本发明涉及用于从内燃发动机的废气热量中回收能量的回热器及构造回热器的方法。特别地，本发明涉及回热器装置，该回热器装置借助于多个热电板利用两个管道之间的温度梯度来产生电势。

技术领域

本发明是用于从内燃发动机的废气热量中回收能量的装置。特别地，本发明涉及特定构型的回热器装置，该回热器装置借助于多个热电板利用处于不同温度的两个管道之间的温度梯度来产生电势。

背景技术

现有技术领域中的已经经历最集中发展的一个技术领域是在具有内燃发动机的车辆中的能量回收系统的领域。内燃发动机产生大量的余热，这些余热通常通过废气被排放到大气中，从而导致不能以热量的形式利用能量并且导致污染的增加。

据估计，当前车辆中的大约三分之二的燃烧能量以废气热量的形式被排放到大气中，因此利用余热的任何系统将对原本会损失的能量进行回收。

将废气热量传递至另一流体冷却剂的能量回收装置是已知的，该另一流体冷却剂随后例如用于再生或进行空气调节。然而，回收的热量的相对较低温度使该热量无法在大多数热力循环中用作用于产生电能的热源，此外，该选项需要使用大体积的、重的且昂贵的装置。

附加地，对下述热电元件的使用在现有技术领域中是已知的：所述热电元件用于利用一些材料的所谓的塞贝克效应特性而直接从两种源——即，被认定为冷源的一种源和被认定为热源的另一种源——之间的温度差产生电能。

热电元件是至少两种材料的结合，所述材料通常为半导体并且具有使得所述材料在存在温度梯度的情况下产生电子流的特征。为了获得良好的热电材料，所选择的材料必须结合高导电性和低导热性以保持温度梯度，而高导电性和低导热性是在材料中不可能同时存在的两种特性。现今，纳米技术已经为具有减小的导热性特性和优异的导电性特性的新型半导体材料打开了大门。

首先，将有必要对下述热电效应的原理进行描述：所述热电效应允许温度至电压的直接转换且允许电压至温度的直接转换，并且因此，热电效应能够用于发电、测量温度、对物体进行加热或冷却等。在目前的现有技术领域中，有利的是，应用热电效应以用于根据温度梯度或温度差来产生电势差，对于该温度梯度或温度差而言，热发电机(TEG)模块的使用将是需要的。

热电效应是由于电子流在其从TEG模块的热侧移动至冷侧时产生电压而发生的。在原子尺度下，观察到的是，温度差致使材料的电荷载流子由于密度差导致的从最多电荷的区域移动至具有电子空穴的区域。特别地，对描述热电效应的相反方面的两种现象——即，塞贝克效应和珀尔帖效应——进行了区分。

在塞贝克效应中，观察到的是，当在两种不同金属的接合点处存在温度差时，产生电压，这是因为金属对温度变化做出了不同的响应。

珀尔帖效应构成了与塞贝克效应的情况相反的情况，这是因为观察到了在将电压施加至通过两个“珀尔帖接合件”连接的两种金属或半导体时所产生的温度变化。这些热电材料的效率取决于热电材料的“无量纲的品质因数”ZT，并且为了具有良好的热电效率，品质因数必须尽可能大。

其中：

α：塞贝克系数；

σ：导电率；

κ：导热系数；

T：温度。

如上所述，热电材料是具有根据塞贝克效应将热能转换成电能或者相反地遵循珀尔帖效应将电能转换成热差的能力的材料。

热电模块或TEG模块是以电路形式布置且由P型(正)材料和N型(负)材料成形的热电材料组。

替代性地，当电势差被施加至热电模块时，热电模块可以用作热发生器或冷发生器，从而根据珀尔帖效应进行工作。因此，还能够将热电模块联接至车辆的空气调节系统并且能够根据热电模块的极化作用而用热电模块来产生冷或热。