带有热电发电机以及用于限制发电机温度的器件的热电装置

摘要

一种热电装置，包括热电发电机(112)和用于限制温度的器件。该器件具有至少在很大程度上用可气化的工作介质(118)填充的扁平腔室(114)，所述腔室的尺寸与所述热电发电机(112)的尺寸相适应，并且在它的对置的面上大面积地与所述热源(117)或热电发电机(112)热连接。此外，用于限制温度的器件包括与该腔室(114)连接的导管系统(115)，在所述导管系统中集成有循环冷却器(116)，所述工作介质(118)的气态成分可以无阻碍地从所述腔室(114)上升到所述循环冷却器。工作介质(118)应具有低于临界温度的沸腾温度，在所述临界温度以上所述热电发电机(112)会出现永久的损坏。该热电装置尤其用于带有内燃机的汽车中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热电装置，该热点装置带有

a)一热电发电机、一热源和一热阱，其中，热电发电机在第一侧与热源热连接，而在第二侧与热阱热连接，

b)一腔室，

-该腔室与热源以及热电发电机大面积地热连接

-该腔室至少在很大程度上用可气化的工作介质填充，以及

-由于温差效应决定的液态和气态的所述工作介质在所述腔室中循环，且

c)用于在热电发电机中限制温度的装置，

其中，工作介质具有沸腾温度T_s，该沸腾温度低于这样一个临界温度，在所述临界温度之上会永久地损坏热电发电机。由US3881962公开了一种这样的热电装置。

背景技术

可借助于所谓的热电发电机直接将热转换为电能。热电发电机是由两种不同的、相互连接的材料制成的部件，所述材料优选为两种不同的或不同掺杂的半导体，当不同材料的连接位置具有不同的温度，其由于赛贝克(Seebeck)效应产生电压。赛贝克效应描述了由于热扩散流而在电导体中沿着温度梯度产生电压。为了在技术上利用赛贝克效应，需要将两种具有不同电子热容量的不同电导体相互接触。由于不同的电子热容量，两个导体中的电子在相同的温度下具有不同的动能。如果将这些导体相互接触，那么就形成了较高能量的电子朝具有较低能量的电子的导体方向的扩散流，直到形成动态平衡。如果将这两个不同的导体用A和B表示，并将他们按A-B-A的顺序接触，并且在过渡区A-B的温度为T₁，而过渡区B-A的温度为T₂，那么，所形成的电压仅与温度T₁和T₂的温差以及两个导体A和B各自的赛贝克-系数有关。因此，可由热电发电机获取的电压仅与施加在热电发电机上的温差和所使用的材料的赛贝克-系数相关。

原则上热电发电机可以类似于帕尔帖-元件构造。也可以为热电发电机使用例如与用于制造帕尔帖-元件的材料相同或类似的材料，如铋-碲或硅-锗。

通过使用半导体材料可以将热电发电机的将热能转换为电能的效率提高一些百分比。近来，热电发电机主要用于利用废气-废热，例如应用在汽车、热电联产系统或垃圾焚烧设备中。

DE3314166A1公开了一种高效率的热电系统。由热的流体流(例如废气流)出发，配设有用改善热连接的肋的导热管在一侧被加热。由流体流加热的热导管将热量导向热电发电机，其装配在导热管的对置的一侧，并且起热阱的作用。导热管为改善其导热能力填充有工作流体，该工作流体在导热管的热部段被气化，并且在设置有热电发电机的较冷部段重新凝结。借助于DE3314166A1中公开的热电系统可以实现热电发电机与例如废气流的尤其高效的热耦合。所公开的系统尤其适用于工作温度大于400℃的高温区域。

US4125122A公开了一种用于将热转换为电能的热电转换方法和装置。所公开的装置设计为热交换器，其按照对流原理工作。所公开的装置设有两个相互分开的回路，用于热传递的介质在所述回路中循环。第一介质将热量从热源输送到热阱。至少一个第一导热管与第一热介质的热流热力学接触；至少一个第二导热管与第一介质的冷流热力学接触。在公开的装置中，热电发电机既与热的导热管也与冷的导热管热力学接触。在第二导热管中循环有在通过温差效应驱动的回路中的第二介质。在与第一介质的热流热力学接触的导热管中，位于导热管内的第二介质气态地从热的、导热管与第一介质热力学接触的一端循环到较冷的、与热电发电机热力学接触的一端。在与热电发电机热力学接触的那一端，气态的第二介质凝结，并且以这种方式向热电发电机放出凝结热。第二介质以液相返回导热管的第一端，在此，第二介质被重新气化。

在由所提及的US4125122A得出的装置中，因此在与热电发电机的冷侧热力学接触的导热管中进行第二介质的循环，其中，第二介质在导热管的与热电发电机的冷侧热力学接触的一侧被气化，而在导热管与第一介质接触的、更冷的一侧凝结。

DE3314166A1和US4125122A中所公开的热电系统都追求热电发电机与工作流体尽可能高效和没有损失的热力学耦合。然而，在这些系统中存在这样的危险，即，使热电发电机暴露在过高的温度下，并因此可能出现损坏。

由US3881962可知具有本文开头所述特征的热电装置。在该装置中存在有一用可气化的工作介质填充的腔室状的导管系统，该导管系统在被视为热源的加热区域和被视为热阱的冷凝器之间延伸。为对热电模块的温度进行限制以避免损坏，热电模块与冷凝器在空间上分开地布置。此外，在冷凝器空腔上还连接有一导管，该导管连通至在对地更高的压力阀，借助于该压力阀可限制工作介质的压力，并因此可以限制从加热区域到冷凝器的热流量。热电模块上这种类型的温度限制装置在构造上是耗费的。

由JP2003-219671A公开了另一种带有热电发电机、热源和热阱的热电装置。其中使用了两种具有不同沸腾温度的工作介质。

如由WO2004/092662A1可知，在带有用于混合动力汽车的热电发电机的能量获取系统中也使用了两种工作介质。在此，一种工作介质用于冷却热阱，而另一种工作介质与汽车的热源连接。

由JP5-343751A可得知一种太阳能设备的热电发电机，其中，水被用作可气化的工作介质。热电发电机上的温度限制通过水在其沸腾温度的气化实现。

一可由EP1522685A1得出的、用于汽车的尾气控制的系统包括一热电发电机，其带有用于限制温度的装置。在此，可以使用各种工作介质(如油)用于从作为热源的尾气系统到热电发电机输送热量。一可随温度情况变化的、与热电发电机的热接触面，尤其是在使用可熔化的钎焊材料时，导致在发电机上的温度限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有开头所述特征的热电装置，其中可以这样良好地与各温度情形相适应，使得所述及的不允许的过热的风险不存在。

该技术问题通过在权利要求1中给出的措施解决。在此，本发明基于这样的考虑，利用相变的潜热来防止热电发电机的过热。按照本发明，热电装置应具有热电发电机、热源和热阱，其中，热电发电机在一第一侧与热源热连接，在第二侧与热阱热连接。此外，热电装置还应该具有一腔室，该腔室与热源以及热电发电机大面积地热连接，该腔室至少在很大程度上用一种可气化的工作介质填充，并且由于温差效应而可以在其中循环液态或气态的工作介质。此外，应存在用于限制热电发电机中的温度的装置。在此，工作介质应具有低于一临界温度的沸腾温度T_s，在该临界温度以上所述热电发电机会出现永久的损坏。

按照本发明，用于限制热电发电机中的温度的装置包括腔室和与该腔室连接的导管系统，在所述导管系统中集成有循环冷却器。在此：

-腔室相对置的面应设计为扁平的，

-腔室的尺寸应与热电发电机的尺寸相适应，

-所述腔室通过对置的面中的一个大面积地与热源热连接，并且通过另一面大面积地与热电发电机热连接，

-循环冷却器应在对地比腔室更高的位置集成在导管系统中，

-导管系统应这样地构造，使得工作介质的气态成分可以无阻碍地从腔室上升到循环冷却器，以便再次液化，

以及

-液态和气态的工作介质可以由于温差效应而在腔室和导管系统的至少部分中循环。

与热电装置的这种构造相关的优点尤其在于，即，在热源的温度升高时，借助填充有流体的腔室防止了与该腔室热力学耦合的热电发电机被热破坏。如果热源达到工作介质的沸腾温度，那么多余的热能(否则会对热电发电机的负载做出贡献)，通过工作介质的相变而得到转换。在继续供应热的情况下，气化的工作介质在循环冷却器处被再次液化，并且通过这种方式将多余的能量排出。尤其有利的是，在按本发明的热电装置中可以使用具有工作温度在热源的温度之下的热电发电机。此外，可有利地在热源的温度波动时吸收可能出现的温度峰值。

液体具有比固体小多倍的导热能力。从热源出发的热流通过上述装置克服更大的热阻。这可以有助于热电发电机的额外保护。

权利要求1的从属权利要求给出了按本发明的热电装置的有利构造。在此，按照该权利要求的实施形式可以与一个所属的从属权利要求的特征组合，也或者优选与这些从属权利要求的多个的特征相组合。相应地，按本发明的热电装置可以还具有如下特征：

-用于限制温度的装置具有扁平的、带有对置面的第二腔室，其尺寸可以与热电发电机的尺寸相适应，所述腔室可以通过对置面中的一个大面积地与热源连接，并且通过另一面大面积地与第一腔室连接，并且所述腔室可至少很大程度地以可熔化的第二工作介质填充。在此，第二工作介质具有低于临界温度的熔点T_L，在临界温度以上所述热电发电机会出现永久的损坏。

-尤其有利的是热电装置的这种构造，来自热源的多余热能可作为第二工作介质的“固-液”相变的潜热存储。在热源的温度变化时，可以通过这种方式吸收并存储温度峰值。所存储的热能在热源的温度下降时以凝固热的形式再次输送给热电发电机。通过这种方式可以使施加在热电发电机上的温差保持在一希望的值，使得热电发电机始终可以提供尽可能恒定的功率。

-可选地，用于限制温度的装置具有扁平的、带有对置面的第二腔室，其尺寸可以与热电发电机的尺寸相适应，所述第二腔室可以通过对置的面中的一个大面积地与第一腔室连接，并且通过另一面大面积地与热电发电机连接，并且所述腔室可至少很大程度地以第二可熔化的工作介质填充。在此，第二工作介质具有低于临界温度的熔点T_L，在临界温度以上所述热电发电机会出现永久的损坏。通过第二腔室的这种布置实现，在来自于热源的热流经过用可气化的液体填充的第一腔室之前首先经过第二腔室，以便最终到达热电发电机。如果热源的温度上升，在达到第二工作介质的熔点时，热能通过位于第二腔室中的第二工作介质的“固-液”相变存储。在温度继续升高或保持同样高的温度且热流持续不断时，热能通过第一介质的“液-气”相变转换。通过气态的第一工作介质在循环冷却器上的凝结最终将多余的热量排放到循环冷却器中。因此，所述的实施形式尤其有利，因为仅在热存储器饱和的情况下多余的热能才通过循环冷却器排出。通过这种方式可以改善热电装置的总体效率，并且同时保证有效地防止热电发电机的过热。

-第二工作介质可以具有基本上相当于热电发电机的优选工作温度的熔化温度，其中，该工作温度低于临界温度，在临界温度以上所述热电发电机会出现永久的损坏。按照所述的实施形式，可以尤其有利地通过第二介质的熔化和凝固将热电发电机保持在最佳的工作温度上。

-但第二工作介质也可以具有基本上相当于热电发电机的优选工作温度的熔化温度，其中，该工作温度低于第一介质的沸腾温度。通过如所述地选择第二介质的熔化温度和第一介质的沸腾温度可以将热电发电机保持在希望的工作温度上。在热源的温度超过热电发电机的优选工作温度时，多余的热量首先通过第二介质从固态到液态的相变转化为潜热。仅在蓄热器耗尽之后热源温度继续上升的情况下，才达到第一工作介质的沸腾温度，并且排出多余的热量。如果热源的温度下降，第二介质的凝固热可以释放到热电发电机中。

-第二工作介质可以在液态具有比固态更小的导热能力。每个物理部件都具有特定的热阻。如果某一材料的液相的热阻高于固相的热阻，那么在超过熔点温度时该材料的热阻上升。如果将这种材料用作热电发电装置中的第二工作介质，那么可以通过提高第二工作介质的热阻改进对热电发电机的保护。

-循环冷却器可以具有另一热电发电机，其在第一侧和与导管系统连接的第三腔室热连接，在第二侧与热阱热连接。通过循环冷却器的这种构造也可以将通过循环冷却器排出的热量进一步用于产生电能。通过这种方式可以改善热电装置的效率。

-热源可以至少与内燃机的尾气系统的一部分热连接，或者也可以通过尾气系统的至少一部分形成。通过使用与内燃机的尾气系统热耦合的热电发电机可以利用这种内燃机的尾气热。

-热阱可至少与内燃机的冷却系统的一部分热连接或者可以通过冷却系统的至少一部分形成。为运行热电发电机，为保持在热电发电机上下降的温差需要一热源和一热阱。内燃机通常具有冷却系统，并因此可以以这种方式简单并有效地为热电发电机提供热阱。

-热阱可以与通过气流冷却的面热连接。只要将借助于气流冷却的面作为用于热电发电机的热阱，就可以为热电发电机提供简单、坚固并廉价的部件作为热阱。

-循环冷却器可与内燃机的冷却系统的至少一部分热连接，或者通过冷却系统的至少一部分形成。循环冷却器在内燃机的冷却系统上的热耦合保证了与热阱和内燃机的冷却系统的热耦合类似或部分相同的优点。

-内燃机可以是汽车的一部分。当今的汽车为运行各种电子装置需要越来越多的电能。汽车内燃机的尾气热的利用降低了汽车的用于保证所需电能的初级能量需求。

-第一工作介质可以是油，优选为在压力为2至5bar时沸腾温度在100℃和500℃之间，优选在200℃和300℃之间的发动机机油。所给出的温度范围尤其适用于运行热电发电机。内燃机的冷却系统的冷却水通常具有最大约100℃的温度。冷却水可以用作用于运行热电发电机的热阱。为通过施加在热电发电机上的温差保证有效的能量产额，热电发电机的热侧的温度大于大约200℃。通常可买到的热电发电机的最大负荷能力大约300℃。专门设计用于高温应用的热电发电机最大负荷能力为大于500℃。因为第一工作介质的沸腾温度限定了用于限制温度的器件许可的最大值，那么，工作介质的沸点处在给定的温度范围内是尤其有利的。

-第二工作介质可以是一种焊料，其尤其包含至少作为合金成分的铅，碲或铋。包含一种或多种前述成分或由这些成分形成的焊料为第二工作介质提供了希望的物理特性，此外并且已在技术应用中得到检验。

附图说明

带有用于限制温度的器件的按本发明的热电装置的其它有利构造由前面未述及的权利要求以及尤其由下面解释的示出了按本发明的热电装置的优选构造的附图得出。图中：

图1是带有用于限制温度的器件的热电装置的示意结构图，

图2和3是热电装置的示意性结构，其中，用于限制温度的器件额外地包括用第二工作介质填充的第二腔室，

图4是装置的热电发电机的温度作为时间的函数的示意图，

图5是热电装置的示意性结构，其中，热源与内燃机的尾气系统的一部分连接，

图6是热电装置的示意性结构，其中，热源与尾气系统的一部分连接，而热阱和循环冷却器与内燃机的冷却系统的一部分连接，以及

图7是热电装置的示意性结构，其中，循环冷却器具有另一热电发电机。

在附图中，相应的部件分别配有相同的附图标记。没有详细示出的部件属于现有技术。

具体实施方式

图1示出了按一种优选的实施形式的热电装置的示意性结构。按本发明的热电装置，尤其是在其特殊的构造的范围内的热电装置，可以尤其有利地应用在带有内燃机的汽车中，其中，在内燃机满负荷或峰值负荷时在第一腔室出现气态的工作介质。尤其有利的是可以在内燃机满负荷或峰值负荷时，例如在汽车爬坡行驶时，通过使用前述的热电装置防止过热。在该装置中，热电发电机112在一侧大面积地与热阱111热连接。热电发电机112在对置侧与至少大部分以作为第一工作介质的、可气化的液体118填充的腔室114热连接。以可气化的液体118填充的腔室114又大面积地与热源117热连接。前述部件之间的热连接优选通过形状配合情况下的机械连接实现。在此，前述部件例如可以借助于焊料相互连接。部件间的热连接可以额外地通过导热垫改善。该热电发电机由于施加在热电发电机112上的温差而产生电能。热电发电机可以在触点113与负载、存储器等等电连接。

如几乎每个电子部件一样，热电发电机112具有一最大热负荷能力。也就是说，存在预定的临界温度141(参见图4)，当热电发电机暴露在该预定的临界温度141或更高的温度下时间过长，该热电发电机112会出现损坏。热电发电机112优选由多个相互钎焊的半导体元件构成。热电发电机112也可能由于其热负载高于用于连接各半导体元件的焊料的熔化温度而被破坏。

为防止热电发电机112被热损坏，腔室114与导管系统115连接，在该导管系统中集成有循环冷却器116。如图1所示，导管系统115可以在一侧与腔室114连接。同样，导管系统可以包括其它的部件，这些部件在其它位置与腔室114连接。通过这种方式，导管系统可以具有例如连接在腔室114的两个对置侧的部件。同样，导管系统114的多个部件可以连接在腔室的同一侧上。位于腔室114中的工作介质118优选可以具有沸腾温度T_s，该沸腾温度相当于热电发电机112的优选的工作温度143(参见图4)。沸腾温度T_s优选在临界温度141之下，在临界温度以上所述热电发电机112会出现永久的损坏。下面结合图4对此进行更详细地说明。

如果热源117的温度高于工作介质的沸腾温度T_s，那么至少部分工作介质118在腔室114中气化。气态的工作介质118可以无阻碍地从腔室114通过导管系统115上升至集成在该导管系统115中的循环冷却器116。出于该目的，循环冷却器116位于在对地比腔室114更高的位置。气态的工作介质116可借助于循环冷却器116再液化，并且然后可以由于重力作用重新到达腔室114中。

由于温差效应，至少在腔室114和导管系统115的一部分形成液态和气态工作介质118的循环。

源于热源117的热能可以通过可以一定方式气化的工作介质118排放到循环冷却器116。在此，热电发电机112可以防止热力学上的过热。

热力学峰值负载可以时间上有限的方式或时间上连续地源自于热源117。如果热源117持续地具有高于热电发电机112的优选工作温度142且也高于工作介质118的沸腾温度T_s的温度，那么连续不断的多余热通过沸腾的介质118排放到循环冷却器116。在热源117的在时间上有限地升高温度的情况下，可以暂时地将工作介质118转化为气相，并且接着在没有循环冷却器116的作用下，在较冷部分、例如热电发电机112的较冷部分或者导管系统115的部分再液化。

图1所示的热电装置的优选实施形式不限于在图1中所示的热源117、腔室114、热电发电机112和热阱111的扁平布置。同样可有利地实现为具有多个热源117、热阱111以及多个以介质118填充的腔室114和热电发电机112的多层结构。同样可有利地将热电装置构造为弯曲的形状。

图2示出了热电装置的另一种优选的实施形式，其中，其基本上由图1所示的装置增加第二腔室121得到，该第二腔室用可熔化的第二工作介质122填充。第二工作介质122优选可具有低于第一工作介质118的沸腾温度T_s的熔化温度T_L。其它细节结合图4详细说明。如果热源117的温度升高而超过第二工作介质122的熔化温度T_L，那么源自热源117的热能用于熔化第二工作介质122。仅当第二工作介质122完全液化，热存储器121几乎耗尽时，热电发电机112的温度才超过第二工作介质122的熔化温度T_L。在热源117的温度继续升高时，热流通过在腔室114中沸腾的工作介质118排放到循环冷却器116。

图3示出了另一种优选的实施形式，其中，用第二工作介质122填充的第二腔室121设置在用第一工作介质118填充的腔室114和热电发电机112之间。第二介质的熔化温度T_L优选在第一介质118的沸腾温度T_S之下。通常液体的热传导能力小于固体的热传导能力。因此，源自于热源117的热流在至热电发电机112的路上首先碰到形式为第一腔室114的热阻。如果使用非常热的热源117来运行热电发电机112，可以有利地通过热阻降低热源的高温。

图4示出了热电发电机112的热侧的、作为与时间t相关的函数的温度曲线T_TEG。假定热源117等高的温度，该温度优选高于临界温度141，在临界温度以上所述热电发电机112会出现永久的损坏。图4所示的曲线优选以按图2的实施形式为前提。

如果热源117的温度上升，热电发电机的温度T_TEG首先按照图中用144标示出的部分来变化。如果热电发电机112的温度达到第二工作介质的熔化温度T_L，那么即便在继续热输送时热电发电机的温度也先不再升高。在所产生的台阶(Plateaus)上的温度轴线上的位置由第二介质122的熔化温度T_L决定，第二介质122的质量或热容量决定台阶在时间上的长度。第二介质122的熔化温度优选基本上相当于热电发电机112的优选的工作温度142。

仅当第二介质122完全熔化之后，热电发电机112的温度T_TEG才继续上升。由于第二工作介质122的液相的较小的热传导能力，温度按照在图4中用145标示出的曲线部分以比之前在用144标示出的图形部分更平的斜率上升。如果热源117继续提供热能，热电发电机112的温度上升到第一介质118的沸腾温度T_s，该温度优选基本上相当于热电发电机112允许的最大工作温度143。气态的工作介质118可以上升到循环冷却器116，并在该处被再液化。通过这种方式将多余的热量借助第二介质118导向循环冷却器116。

即便在热源117的温度继续升高和/或热流持续保持在高于临界温度141的温度水平，也可以借助于第一工作介质118的气化和循环冷却避免热电发电机112的温度T_TEG继续上升。通过这种方式将不会达到热电发电机112的破坏阈值，并且防止热力学上的过热。

图5示出了热电装置的另一优选的实施形式。图5所示的结构基本上是由图1所公知的结构，其这样地扩展，使得热源117与内燃机151的排气系统152的一部分连接。腔室114优选在使用例如另一防腐蚀保护的措施的情况下与内燃机的尾气系统152连接。

图5所示的优选实施形式不仅限于在图中所示的实施形式。尾气流同样可通过分叉的尾气导引系统152导引。通过这种方式可将内燃机151的热尾气与多个热电发电机112热力学接触。此外，热电发电机可以设置在周期性构造的结构中。那么例如可以每个第一腔室114和所属的热电发电机112设置在尾气通道对置的侧面上。在热电发电机114的冷侧可以各设一用作热阱111的冷却通道或冷却条。在该冷却通道可以再次在其冷侧各设置一另一热电发电机112。以这种方式可以构造由尾气通道，带有用于限制温度的器件的热电发电机112以及冷却通道形成的周期性结构。

图6示出了热电装置的另一种优选的实施形式，其中，相对于在图5中所示的实施形式，热阱111耦合在内燃机151的冷却装置161上。冷却装置161可以是通常公知的、通常是用冷却水运行的内燃机151的冷却设备，也或例如是内燃机151的油冷装置。第一工作介质118例如可以使用易于购买到的润滑油或冷却油。同样，可以使用专门用于带有用于限制温度的热电装置的调整过的油。

用于冷却内燃机151的冷却水优选可以用于调节热阱111温度，也就是与该热阱热连接。此外，循环冷却器116同样可以集成在内燃机151的冷却系统161中。以这种方式也可以保证循环冷却器116的冷却，并且也可以使该循环冷却器保持在对于再液化气态的第一工作介质118所必需的温度。同样，借助于气流冷却的面162与热阱111热连接。当热电装置使用在汽车中时，尤其可以使用这种构造形式。在这种情况下，面162例如可以通过行驶风冷却。

图7示出了热电装置的另一种优选的实施形式。相对于图1中所示的实施形式，循环冷却器116构造为另一热电装置。出于该目的，导管系统115与另一第三腔室171连接。该第三腔室171可以至少部分由第一工作介质118填充。第三腔室171至少与另一热电发电机172的热侧热连接，优选也机械连接。热电发电机172的冷侧与热阱173连接。通过将另一热电发电机172集成在循环散热器116中也可以利用通过循环散热器116排出的热能来产生电能。通过这种方式可以改进整个热电装置的效率。此外，循环冷却器116也可以这样地构造，即，替代单个的另一热电发电机172，使用级联的多个热电发电机172来再液化第一工作介质118。由多个热电发电机172组成的级联可以通过热并联连接也或热串联连接实现。热并联连接是指多个热电发电机172热耦合，它们以其热侧连接在一个公共的热源上，例如第三腔室117上。

上述热串联连接是指多个热电发电机172的热耦合，其中，每个热电发电机172的热侧分别与另一热电发电机172的冷侧连接。