專利名稱：傳熱設備及其制造方法
技術領域：
本發明涉及傳熱設備，其優選地用于內燃機、特別是汽車的內燃機的排氣系統。此外，本發明涉及用于這種傳熱設備的裝配的方法。
背景技術：
傳熱設備通常包括至少一個用于傳導含熱或排熱流體的暖管和至少一個用于傳導吸熱流體的冷管。這些管以傳熱的方式彼此耦合，從而來自暖管流體的熱量可以被傳送到冷管流體。這里，原則上可能在暖管和冷管之間設置一熱電發電器，在該熱電發電器的幫助下，可以由熱流或溫差產生電能。這種熱電發電器相當于珀耳帖元件。通過珀耳帖元件，或熱電發電器(其也被稱為TEG)，利用珀耳帖效應，由電壓差產生熱流。與該珀耳帖效應對應的是塞貝克效應，其由溫度差產生電流。此外，可通過TEG或珀耳帖元件利用不同能級的半導體。由于通常在內燃機的廢氣中存在大量的余熱，通過使用這種具有至少一個集成的 TEG的傳熱設備，可以以熱和電流的形式回收能量。該能量隨后可在內燃機或裝備有這種內燃機的汽車上的其他地方被利用，以提高各個系統的整體效能。
發明內容
本發明涉及這樣的問題，即提供了這樣的傳熱設備的改進的或者至少是另外的具體實施方式
，或相關的制造方法的具體實施方式
，更優選地，其特征在于傳熱設備的提高的效能和通過傳熱設備的簡化制造。根據本發明，該問題通過獨立權利要求中的主題解決。有利的具體實施方式
是從屬權利要求中的主題。本發明基于這樣的一般理念，即在各個TEG和各個管之間設置導熱材料，該導熱材料提高了各個TEG和各個管之間的熱傳導。提高的熱傳導增加了熱流并且最終增加了各個TEG的暖側和冷側之間的溫差。由于根據溫差，在各個TEG的幫助下可以產生電流，所以增加的溫差導致了增加的電流產生。特別優選的是這樣一個特別的具體實施方式
，其中各個導熱材料被配置為成形的主體。應用這種由導熱材料制備的成形的主體，使得導熱材料一方面對各個管、另一方面對各個TEG均有改進的幾何適應性。改進的幾何適應性導致了大面積的更優選地連續的接觸，其提高了傳熱。另一方面，由于其成形加工，成形的主體可用于將各個TEG相對于各個管定位，反之亦然，在制造期間，即在傳熱設備的裝配期間，這是特別有利的。例如，在這些成形的主體的幫助下，多個冷管、暖管和熱電發電器可被更容易地堆疊在彼此的頂部，這簡化了在生產過程期間單個組件的處理。除此之外，顯示了通過使用這種成形的主體，能夠選擇定位于單個組件的堆疊方向中的相對高的接觸壓力。一方面，成形的主體對各個管和各個TEG的幾何適應性導致了均勻的表面壓力，其均勻化并因此減少了單個組件的載荷。另一方面，在成形的主體幫助下的單個組件相對于另一個的改進的定位或布置，確保了即使具有增加的接觸壓力時的穩定復合物，其更優選地一取決于構造一具有增加的接觸壓力時甚至會變得更穩定。特別有利 的是這樣一個具體的實施方式，其中，在各自的成形的主體的幫助下，各個TEG被定位在各個管上。因此，該設計提高了各個成形的主體的固定效果或保持效果。例如，這可以通過各自的成形的主體一方面對各個TEG、另一方面對各個管的的相應的互補成形加工來實現。根據另一個有利的具體實施方式
，至少一個凸起或凹穴可形成于各個成形的主體上，該成形的主體可以和與其互補的形成于各個TEG或各個管上的凹穴或凸起相互作用。 例如，這種凸起可以珠子的形式線性形成或以突出的形式被聚集。與其互補的凹穴隨后作為與其配套的珠子或突出形成。這里，清楚的是可以結合任何數量的珠子和突出。同樣地， 可存在不同尺寸的珠子或突出。通過使用這種彼此特別嚙合的相互作用的凸起和凹穴，可以實現各個成形的主體和各個TEG或各個管之間的確定的定位。這里，確定的定位表現為橫切位于彼此頂部上的組件的堆疊方向。該各個凸起或凹穴，或者由多個凸起或凹穴組成的凸起布置或凹穴布置，可橫向地圍繞各個TEG或由多個TEG元件形成的TEG的至少一個熱電發電器元件。因此，可在所有方向上實現TEG的確定定位橫切堆疊方向。根據另一個有利的具體實施方式
，各個成形的主體可具有邊緣，該邊緣至少部分地橫向圍繞各個TEG或至少一個TEG元件。在這種邊緣的幫助下，各個TEG或各個管上的各個成形的主體的有效的確定定位也可以橫切堆疊方向實現。通過另一具體實施方式
，提供至少一個框架，作為橫向地圍繞各個TEG的另一組件。特別地，在由彼此相鄰設置的多個TEG元件組成TEG的情況下，這種框架簡化了在裝配期間和在完成的傳熱設備中的TEG的定位和處理。根據另一有利的改進，各個成形的主體可被支撐在各個框架上，因此可以獲得傳熱設備結構中的額外的穩定性。在各個成形的主體中整合電氣線路用于與各個TEG或各個TEG元件的電氣接觸是特別實用的。因此，各個成形的主體接受一額外的功能，該功能簡化了在傳熱設備中的各個 TEG的電氣接觸。特別地，在傳熱單元中的額外的電氣線路的安裝可以省略。各個成形的主體在尺寸上可以是穩定的和/或有彈性的。其可以被粘合到各個管或各個TEG。形成成形的主體的導熱材料可以電絕緣的形式設計。此外，如果導熱材料是由復合材料制備的，其可包括作為基礎材料的石墨。同樣地，導熱材料完全可由石墨構成。本發明的其他重要特征和優勢可由從屬權利要求、附圖、根據附圖的對應的
獲得。應當理解的是，上面描述并且接下來還要解釋的特征不僅僅是用于陳述的各個組合中，也可以用于其它組合中，或只是其本身，而不脫離本發明的范圍。
本發明的優選的典型的具體實施方式
在附圖中示出并在下面的描述中更詳細地解釋，其中，相同的附圖標 記指代相同的或相似的或功能上相同的組件。在每種情況下，其示意性地示出 圖1傳熱設備的橫截面，
圖2熱電發電器的區域中的熱交換器的橫截面， 圖3熱電發電器的細節的俯視圖， 圖4具有框架的熱電發電器的透視圖。
具體實施例方式根據圖1，橫截面中示出的傳熱設備1包括至少一個暖管2和至少一個冷管3。實施例中示出的傳熱設備1包括三個暖管2和四個冷管3。在熱交換器1的操作期間，暖管2 用于傳導含熱或散熱的流體，而在傳熱設備1的操作期間，冷管3用于傳導吸熱的流體。此外，這里示出的傳熱設備1包括至少一個熱電發電器4，其在下面也稱為TEG4。 在實施例中，提供了 6個這種TEG4。各個TEG4用于由溫差或熱流產生電能或電流。為此， 在每種情況下，各個TEG4設置在暖管2和冷管3之間。例如，傳熱設備1可被結合在圖1左側示出的內燃機6的排氣系統5中，內燃機6 更優選地可被設置在汽車中。例如，根據流入箭頭7，排氣系統5可將內燃機6的熱的廢氣傳導到傳熱設備1，其中，其流過暖管2。根據返回箭頭8，冷卻的廢氣(如果是可應用的)從傳熱設備1的暖管2返回并且在排氣系統5中繼續其路徑。內燃機6額外地包括一新鮮空氣系統9并可配備一個冷卻回路10。例如，傳熱設備1也可結合在該冷卻回路10中。根據前進箭頭11，液體冷卻劑可被傳導至傳熱設備1的冷管3。根據返回箭頭12，加熱的冷卻劑 (如果是可應用的)可從傳熱設備1的冷管3中返回至冷卻回路10內。因此，例如，在內燃機6的冷卻啟動期間和/或在較低的環境溫度下，將熱引入冷卻回路中以將內燃機6升高至操作溫度或保持在操作溫度是可能的。此外或可替代地，具有冷管3的傳熱設備1也可結合在任意其它冷卻回路中或加熱回路中，例如用于加熱汽車的乘客艙的加熱回路。TEG4可被電氣地連接至內燃機6的或配備有內燃機6的車輛的電消耗品上。在這種情況中，對應的電氣連接線路被指定為14。電消耗品13可包括變壓器和控制元件，例如，為了將在TEG4的幫助下產生的電能供給至汽車電池內。在傳熱設備1的操作期間，根據箭頭5，在暖管2和冷管3之間確立的溫差導致了從暖管2到冷管3的熱流，其中，各個熱流15經過設置在它們之間的TEG4。該熱流15或暖管線2和冷管線3之間的潛在溫差導致了各個TEG4中的電壓，該電壓可以電流的形式流出。為了提高熱流15，各個TEG4通過導熱材料16與各個管2、3相接觸。各個導熱材料16 與這里呈現的傳熱設備1 一起被設計為成形的主體17。根據圖2和3，各個成形的主體17可被這樣配置，從而其可將相應的TEG4定位在各個管2或3上。在這種情況下，該定位實現為橫切通過雙箭頭在圖1和2中示出的堆疊方向18，其中，單個的管2、3和TEG4以及成形的主體17堆疊在彼此的頂部或者在傳熱設備 1內被設置在彼此的頂部。為了實現該定位的功能，根據圖2和3，至少一個凸起19形成在各自的成形的主體 17上，而與其互補地，在相應的TEG4上或(如在實施例中所示)在管2或3上形成匹配所述凸起的凹穴20。凸起19在對應的凹穴20中確定地嚙合，也就是在堆疊方向18上，因此，可以實現所需要的橫切堆疊方向18的確定定位。例如，各個凸起19可以線性地實現，例如穿過珠子。同樣地，能夠以集中的方式設計各個凸起19，例如作為突出。顯而易見的是，原則上可以提供任意組合的珠子和突出，以便配置凸起布置21。之后，相同的也適用于互補形成的凹穴20，從而其可被形成為配套的珠子或配套的突出并且形成任意組合中 的凹穴布置 22。盡管在圖2所示的具體實施方式
中，凸起19形成于成形的主體17上并且匹配所述凸起的凹穴20形成于各個管2或3上，可以提供另一具體實施方式
，使得凹穴20形成于各個成形的主體17上，而匹配所述凹穴的凸起19之后形成于各個TEG4上的各個管2或3 上。同樣地，可以想到，成形的主體17上的凹穴20和凸起19與各個管2或3或各個TEG4 上的對應的凹穴20或凸起19協同作用的組合。在如圖3所示的情況下，提供了由多個凸起19組成的凸起布置21和/或由多個凹穴20組成的凹穴布置22，各個凸起布置21或凹穴布置可以這樣設置，從而其橫向地(即橫切堆疊方向18)圍繞各個熱電發電器4。此外或可替代地，可以設置各個凸起布置21或各個凹穴布置橫向地圍繞在下面也被命名為TEG元件的熱電發電器元件23。一個TEG4可由多個這樣的TEG元件23形成。例如，圖4示出了一具體實施方式
，其中，單個的TEG4由總數為12個的TEG元件23構成。在這種情況下，單個的TEG元件23彼此在一條線上相鄰， 橫切堆疊方向18。其數量可由傳熱設備1中使用的管2或3的長度來確定。為了闡述凸起布置21或凹穴布置22的構造，成形的主體17未在圖3中示出。根據圖2，成形的主體17包括一邊緣24，該邊緣在堆疊方向18上遠離剩余的成形的主體17。在這種情況下，該邊緣24是這樣定位的，從而其至少部分地橫向圍繞各個TEG4 或至少一個TEG元件23。在圖2的實施例中，邊緣24在兩個相對的縱向側上圍繞TEG4或 TEG元件23。所述邊緣24額外地或可替代地被提供給凸起19或凹穴20。在該實施例中， 邊緣24導致了 TEG4或各個TEG元件23相對于成形的主體17的橫向定位，而彼此相互作用的凸起19和凹穴20則導致了各個管2和3相對于成形的主體17的定位。根據圖4，除了管2、3和TEG4之外，在傳熱設備1中提供至少一個框架25。事實上，在這種情況中，為每個TEG4提供了一個這種框架25。因此，圖1示出了總數為6個的這種框架25。各個框架25形成一橫向的包圍，該包圍為了各個TEG4被定向為橫切堆疊方向 18。明顯地，根據圖4，各個TEG4的所有TEG元件23都被連續地彼此相鄰地設置在各個框架25內。這為TEG或其TEG元件23產生了通過箭頭26在圖4中所示的定位效果，該定位效果被定向橫切堆疊方向18并且橫切管2、3的縱向方向，從而橫切各個管2、3中的各個液體的流動方向。各個成形的主體17現在可根據實際的構造配置，從而在裝配狀態時其可被支撐在各個框架25上。因此，各個TEG4橫切堆疊方向18的定位可以在各個成形的主體17的幫助下、通過框架25的定位間接實現。例如，成形的主體17上設置凸起19或凹穴20，其可與隨后在框架25上形成的與其互補的凹穴20或凸起19嚙合。根據圖2，電氣線路27可被整合在成形的主體17中，該成形的主體以合適的方式使得各個TEG4或各個TEG元件23的電氣接觸成為可能。例如，為了實現各個TEG4，各個 TEG4的單個TEG元件23在電學上必須是串聯的或并聯的。TEG元件23的各個開關隨后可通過線路27實現。因此，成形的主體接受了一重要的額外功能，即TEG元件23的電氣開關。此外，在傳熱設備1中的單個的TEG4的電氣開關也可在整合在成形的主體17中的線路27的幫助下被基本上簡化。成形 的主體事實上被設計為尺寸上穩定的，因此，在成形的主體17的幫助下，能夠在傳熱設備的裝配范圍內牢固地堆疊多個管2、3和TEG4。此外，成形的主體可被配置為彈性的，因此，一旦受到平行于堆疊方向18的壓縮時，其可彈性地屈服(yield)直到其可抱緊管2、3和TEG4的外部輪廓，從而可以實現高位值的區域接觸。各個成形的主體17可被粘合至各個管2、3。額外地或可替代地，各個成形的主體17可被粘合至各個TEG4或其TEG 元件23。這種粘合可以簡化裝配期間的處理。各個成形的主體17在其面向各個TEG4的一側成形為與面向成形的主體17的各個TEG的該側互補。此外或可替代地，各個成形的主體17在其面向各個管2、3的一側成形為與面向成形的主體17的各個管2、3的該側互補。互補的成形加工簡化了提高傳熱的大面積的接觸。根據優選的具體實施方式
，用于制備成形的主體17的導熱材料16可以是電絕緣的。導熱材料16可以是增強纖維。例如，其可以包含玻璃纖維或石墨纖維。此外，導熱材料16可以是包括多種材料的復合材料。例如，石墨可用作該復合物的基礎材料。同樣地， 能夠僅僅或完全由石墨制備導熱材料16。根據圖1，管2、3，成形的主體17和TEG4在堆疊方向18上形成堆疊28。現在優選的是一具體實施方式
，其中，堆疊28的單個組件，即堆疊28中的管2、3，TEG4和成形的主體17通過預加載力29相對彼此被預加載，該預加載力通過圖1中的箭頭示出。該預加載力29平行于堆疊方向18而起作用。根據圖1的傳熱設備1包括具有兩個殼體部分31和32的殼體30。在圖1中，壺形的或橫截面積為U形的上殼體部分31和壺形的或橫截面積為U形的下殼體部分32是顯而易見的。根據箭頭33，這兩個殼體部分31、32被插入彼此之中。該插入方向33平行于堆疊方向18。堆疊28被設置在殼體30，即兩個殼體部分31、32中。預加載力通過殼體部分 31、32被施加在堆疊28上。通過如圖1所示的具體實施方式
，冷管的尺寸設計為使得其橫向地接觸橫切直流方向和橫切堆疊方向18的殼體30。在這種情況下，框架25的尺寸也被這樣設計，從而其橫向地接觸橫切直流方向和橫切堆疊方向18的殼體30。與此形成對比，在這種情況下，暖管2的尺寸也被這樣設計，從而其與橫切直流方向和橫切堆疊方向18的殼體30隔開。在這種情況下，顯而易見的是各個暖管2和殼體30之間存在一間隙34。在該間隙34的幫助下，可以避免殼體30中在熱交換器1的操作期間，由于暖管2的熱膨脹產生的熱感應應力。這里所介紹的傳熱設備1可根據以下有利的制造方法進行裝配
首先，各個管2、3和各個TEG4堆疊在彼此的頂部，同時成形的主體17設置在它們之間，從而建立堆疊28。該堆疊28被容納在殼體30中。這里，原則上能夠在殼體30或在殼體部分31、32中的至少一個中構造堆疊28。在將堆疊28容納在殼體30之后，殼體部分31、32被預加載在堆疊方向18上，從而在堆疊28中產生預加載力29。在該預加載狀態中，殼體部分31、32之間的相對位置是固定的。例如，該定位固定可通過至少一個圍繞殼體部分31、32的夾板實現。此外或可替代地，在連接的幫之下，同樣地能夠實現該定位固定，該連接將兩個殼體部分31、32在其相對位置彼此固 定。例如，殼體部分31、32可被焊接在一起。
權利要求
1.一種傳熱設備，更優選地用于優選為汽車的內燃機(6)的排氣系統(5)，其具有 -至少一個用于傳導排熱流體的暖管(2)，-至少一個用于傳導吸熱流體的冷管(3)，-至少一個用于通過溫差產生電能的熱電發電器(4)，其中每個熱電發電器(4)均設置在暖管(2)和冷管(3)之間，-其中，各個熱電發電器(4)通過導熱材料(16)與各個管(2、3)相接觸， _其中，各個導熱材料(16)被配置為成形的主體(17)。
2.根據權利要求1所述的傳熱設備，其特征在于，在各個成形的主體(17)的幫助下，熱電發電器(4)被定位在各個管(2、3)上。
3.根據權利要求1或2所述的傳熱設備，其特征在于，至少一個凸起(19)或凹穴(20) 例如以珠子或突出的形式形成于各個成形的主體(17)上，該凸起(19)或凹穴(20)可以和與其互補的以配套的珠子或突出的形式形成于各個熱電發電器(4)或各個管(2、3)上的凹穴(20)或凸起(19)相互作用。
4.根據權利要求3所述的傳熱設備，其特征在于，各個凸起(19)或凹穴(20)，或者由多個凸起(19)或凹穴(20)組成的凸起布置(21)或凹穴布置(22)橫向地圍繞各個熱電發電器(4)或由多個熱電發電器元件(23)形成的熱電發電器(4)的至少一個熱電發電器元件 (23)。
5.根據權利要求1-4任一項所述的傳熱設備，其特征在于，各個成形的主體(17)包括邊緣(24)，該邊緣至少部分地橫向圍繞各個熱電發電器(4)或由多個熱電發電器元件(23) 形成的熱電發電器(4)的至少一個熱電發電器元件(23)。
6.根據權利要求1-5任一項所述的傳熱設備，其特征在于，提供至少一個橫向地圍繞各個熱電發電器(4)的框架(25)，其中，更優選地，各個成形的主體(17)可被支撐在各個框架(25)上。
7.根據權利要求1-6任一項所述的傳熱設備，其特征在于，在各個成形的主體(17)中， 整合用于與各個熱電發電器(4)和/或由多個熱電發電器元件(23)形成的熱電發電器(4) 的熱電發電器元件(23)電氣接觸的電氣線路(27)。
8.根據權利要求1-7任一項所述的傳熱設備，其特征在于， -各個成形的主體(17)被配置為尺寸上是穩定的，和/或 -各個成形的主體(17)被配置為有彈性的，和/或-各個成形的主體(17)被粘合到各個管(2、3)或各個熱電發電器(4)，和/或 -導熱材料(16)是電絕緣的，和/或 -導熱材料(16)是增強纖維，和/或-導熱材料(16)包括作為基礎材料的石墨，或完全由石墨構成。
9.根據權利要求1-8任一項所述的傳熱設備，其特征在于，-各個管(2、3)，各個成形的主體(17)和各個熱電發電器(4)在堆疊方向(18)上被堆疊并形成堆疊(28)，其中，使用預加載力(29)將它們相對彼此在堆疊方向(18)上夾緊，-其中，更優選地，提供了其中設置各個堆疊(28)的殼體(30)，其包括兩個插入彼此中的殼體部分(31、32 )，預加載力(29 )通過殼體部分(31、32 )被施加在相應的堆疊(28 )上。
10.根據權利要求1-9任一項所述的傳熱設備，其特征在于，-各個橫切直流方向的冷管(3)橫向地接觸傳 熱設備(1)的殼體(30)，和/或 -各個橫切直流方向的框架(25)橫向地接觸傳熱設備(1)的殼體(30)，和/或 -各個橫切直流方向的暖管(2)橫向地與傳熱設備(1)的殼體(30)隔開。
11. 一種用于裝配根據權利要求1-10任一項所述的傳熱設備(1)的方法， -其中，各個管(2、3)和各個熱電發電器(4)堆疊在彼此的頂部，同時成形的主體(17) 設置在它們之間，從而建立堆疊(28)，-其中，該堆疊(28 )被容納在殼體(30 )中， -其中，堆疊(28 )被構造在殼體(30 )或在一殼體部分(31、32 )中， -其中，被預加載在堆疊(28)的堆疊方向18上的殼體部分(31、32)可選地是可插入彼此中的。
全文摘要
本發明涉及傳熱設備(1)，其更優選地用于優選為汽車的內燃機(6)的排氣系統(5)中，其具有至少一個用于傳導排熱流體的暖管(2)，至少一個用于傳導吸熱流體的冷管(3)和至少一個用于由溫差產生電能的熱電發電器(4)，其中每個熱電發電器(4)均設置在暖管(2)和冷管(3)之間。如果各個熱電發電器(4)通過熱導材料(16)與各個管(2、3)相接觸并且各個熱導材料(16)被配置為成形的主體(17)，那么傳熱設備(1)的效能會提高。
文檔編號F01N13/18GK102220948SQ20111009625
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月18日 優先權日2010年4月17日
發明者冬明, 安格拉·薩克塞, 約爾格·厄斯特勒, 阿努爾夫·施皮特, 阿尼卡·伯克爾 申請人:J·埃貝斯佩歇合資公司