专利名称：含有温差发电机和发电机限温装置的热电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热电装置，它包括
a) 温差发电机、热源和冷源，其中温差发电机在第一侧与热源和在第 二侧与冷源热连接，以及
b) 温差发电机的限温装置，它们包括有平的相对置面的第一腔，腔的 尺寸与温差发电机的尺寸相适配，
其中第一腔至少基本上充满一种可熔化的第一工质，它有一个低于临 界温度的熔点TL,超过所述临界温度将使温差发电机永久性损坏。
背景技术：
由EP1522685A1可知这种热电装置。
热能直接转换为电能可借助所谓的温差发电机实现。温差发电机是一 个由两种不同的互相连接的材料，优选地两个不同的或掺有不同杂质的半 导体组成的构件，当不同材料的连接部位有不同温度时，它基于热电效应 产生电压。
热电效应说明在电导体内沿通过热扩散流引起的温度梯度形成电压。 为了能在技术上利用热电效应，必需将两种有不同电子热容量的不同电导 体置于互相接触状态。基于不同的电子热容量，当温度相同时在两种导体 内的电子有不同的运动能量。若将这些导体置于互相接触状态，则持续形 成能量较高的电子朝电子有较低能量的导体的方向的扩散流，直至建立动 态平衡。若这两个不同的导体用A和B表示并按顺序A-B-A置于接触状态， 以及此外A-B转变为温度T,和B-A转变为温度T2,则形成的电压仅取决于 温度T,与T2之差以及两个导体A和B各自的热电系数。因此，可在温差 发电机上截取的电压仅取决于在温差发电机上存在的温差和所使用材料的 热电系数。
原则上温差发电机的结构设计可类似于珀尔帖元件。温差发电机也可 以使用与制造珀尔帖元件相同或类似的材料，例如铋-亚碲酸盐或硅-锗。通过使用半导体材料，可以提高温差发电机将热能转换为电能的效率 达几个百分点。近来温差发电机用得越来越多，为的是利用例如在汽车、 大型热电厂或垃圾焚烧设备中的排气废热。
DE3314166A1公开了 一种高效率的热电系统。从一种热的流体流出发， 例如废气流，在一侧加热设有用于改善热接合的翅片的导热管。被流体流 加热的导热管将热量传给温差发电机，温差发电机安装在导热管的相对置 侧并起冷源的作用。导热管为了提高热导率充填一种工作流体，它在导热 管的高温部分中汽化，以及在安置温差发电机的较冷的部分中重新凝结。 借助在DE3314166A1中7>开的这种热电系统，可以达到温差发电才几例如与 废气流的一种特别有效的热耦合。此公开的系统特别适合在例如工作温度 高于400。C的高溫区内使用。
US4125122A公开了一种方法和设备，用于将热量热电地转换为电能。 此公开的设备设计为按对流原理工作的换热器。在US4125122A中公开的 设备采用两个彼此隔离的回路，用于传热的介质在其中循环。第一种介质 将热量从热量输送到冷源。至少 一个第 一导热管与热的第 一种介质流处于 热接触状态；至少一个第二导热管与较冷的第一种介质流处于热接触状态。 温差发电机既与其中一个热的也与其中一个较冷的导热管处于热接触状 态。在导热管内部，第二种介质在第二个由虹吸效应驱动的回路中循环。 对于那个与热的第一种介质流处于热接触状态的导热管，处于导热管内部
的第二种介质，气态地从导热管处于与第 一种介质热接触状态的热的端部， 循环到处于与温差发电机热接触状态的较冷的端部。气态的第二种介质在 这一处于与温差发电机热接触状态的端部凝结，并以此方式将凝结热传给 温差发电机。此第二种介质在导热管的第一端恢复为液相，以便重新汽化。
第二种介质的循环在处于与温差发电机冷侧热接触的导热管内进行， 它在导热管处于与温差发电机冷侧热接触的那一侧汽化，以及在导热管与
第一种介质接触的(仍然)较冷的那一侧凝结。
无论在DE3314166A1中还是在US4125122A中公开的热电系统，均追 求温差发电机与热工作流体达到尽可能有效和无损失地热耦合的目的。然 而在这些系统中存在着它们的温差发电机遭受过高的温度并因而可能受损 的危险。
由US3881962已知另一种热电装置，它含有温差发电机和限制发电机温度的装置。在此热电装置中存在一个充填可汽化的工质的腔室状管道系 统，该系统布设在看作热源的加热区与看作冷源的冷凝器之间。为了避免 损坏热电模件限制其温度，将热电模件设置为与冷凝器在空间上隔开。此 外，在冷凝器腔上附加地连接通向一个处于较高地理位置的压力阀，借助 它可限制工质的压力，并因而限制从加热区到冷凝器的热流。这种热电模 件的温度限制装置结构比较复杂。
由JP2003-219671A还可知另一种热电装置，它有两台温差发电机、一 个热源和一个冷源。它4吏用两种沸点不同的工质。
在例如可由WO2004/092662A1已知的用于混合式汽车具有温差发电 机的采能系统中，也使用两种工质。其中一种工质用于冷却冷源，而另一 种工质与汽车的热源连接。
EP1615274A2公开了 一种用于采能的热电转换模件，其中同样利用温 差。在这里，热电半导体元件和电极布设在冷板与热板之间。
由JP2000-35824A可知一种用于汽车内燃才几的温差发电才几，其中温差 发电机的温度限制通过使用 一种可变形的双金属元件实现。
WO80/01438公开了一种温差发电机，其中使用两种热电特性不同的材料。
可由前言列举的EP1522685A1得知的包含温差发电机和温度限制装置 的汽车废气控制系统具有前言所述特征。在这里可使用不同的工质，如油， 将热量从作为热源的排气系统传输给温差发电机。可随温度状况改变的与
温差发电机的热接触面，尤其在使用可熔化的焊料的情况下，导致限制发 电机的温度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有本文开头所述特征的热电装 置，其中可以与各自的温度状况良好地匹配，从而不发生已提及的不允许 的过热危险。
上述技术问题采取在权利要求1中所说明的措施得以解决。本发明基 于下述考虑充分利用相变的潜热，防止温差发电机过热。按照本发明应 提供一种包含温差发电机的热电装置，温差发电机在第一侧与热源和在第 二侧与冷源热连接。此外，此热电装置还应有一些温差发电机的限温装置，它们包括一个具有相对置面的第一腔，腔的尺寸与温差发电机的尺寸相适 配，第一腔至少基本上充满一种可熔化的第一工质，以及它在其相对置面 大面积地与热源或与温差发电机连接。所述第一工质应具有低于临界温度 的熔点，超过所述临界温度将使温差发电机永久性损坏。采用热电装置的 这种设计得到的优点尤其在于，当热源温度升高时可防止温差发电机高温 破坏。若热源达到第一工质的熔点，则热能用于熔化第一工质。此外有利 地在热源的温度随后下降时，熔化热被重新传给温差发电机。以此方式可 使温差发电机保持在一个由第 一工质的熔点决定的温度。当可熔化的第一 工质的储存能力足够时，热源的温度波动可以吸纳于周围环境中。
此外，用于温度限制的装置按照本发明还应包括一个具有相对置面的 第二腔，该腔的尺寸与温差发电机的尺寸相适配，第二腔至少基本上充满 一种可汽化的第二工质，以及它在其相对置面大面积地与第一腔和与温差 发电机连接。此外，此用于温度限制的装置具有一个与第二腔连接的管道 系统，在其中集成再循环冷却器，该再循环冷却器处于比第二腔高的地理 位置，并可将管道系统设计为，使第二工质的气态部分可以从第二腔无阻 碍地上升到再循环冷却器，它在那里可以再凝结。此外用于温度限制的装 置还可以设计为，使液态及气态的第二工质可通过虹吸效应造成至少在部 分第二腔和管道系统中循环。此外，第二工质沸点可以高于第一工质的熔 点和低于临界温度，超过所述临界温度将使温差发电机永久性损坏。若热 源的温度上升超过第 一工质的熔点，则由熔化过程的潜热引起的热能起先 储存在充填有可熔化的第一工质的第一腔内。如果热源温度继续升高，或 达到超过第一工质熔点的温度，而且第一工质的储存能力已经耗尽，则在 达到第二工质的沸点时使之转变为气态。通过第二工质的"液-固"相变引 起从第二工质吸取热能。气态的第二工质可上升至再循环冷却器，在那里 被再凝结。以此方式将多余的热量借助再循环冷却器排出。因此热电装置 一方面具有一个蓄热器，以及另一方面具有一个用于将温差发电机上存在 的最高温度限制为第二工质沸点的装置。以此方式不仅可以通过熔化和再 结晶第 一种工质来緩冲热源的温差波动，而且可以防止温差发电机过热。
由一些从属于权利要求1的权利要求可知按照本发明的热电装置有利 的扩展设计。其中，按权利要求1所述的实施形式可以与从属权利要求之 一的特征组合，或优选地也可以与多项从属权利要求的特征组合。据此，按照本发明的热电装置还附加地具有下列特征
-第一工质在液态可以有比在固态时低的热导率。任何物理构件都具 有自己特有的热阻。材料液相的热阻高于固相的热阻，所以在超过熔点时 该材料的热阻增大。若在热电装置中将这种材料用作第一工质，则可以达 到附加地防止温差发电机过热。
-第二工质可以有一个基本上相应于温差发电机优选的工作温度的熔 点，其中，工作温度低于临界温度，超过所述临界温度将使温差发电机损 坏。因此特别有利地，温差发电机可以保持在最佳工作温度。以此方式可 以缓冲热源的温度波动。
-热源可至少与内燃机的部分排气系统热连接，或由至少部分排气系 统构成。通过采用一种与内燃机排气系统热连接的温差发电机，可以利用 这种内燃机的废热。
-冷源可至少与内燃才几的部分冷却系统热连4妄，或由至少部分冷却系 统构成。为了运行温差发电机，必需有热源和冷源。内燃机典型地具有冷 却系统并以此方式允许简单而有效地提供用于温差发电机的冷源。
-冷源可以与通过风道冷却的面热连接。通过风道冷却的面提供了一 种特别简单、耐用和廉价的可以用作冷源的构件。
-内燃机可以是汽车的组成部分。如今的汽车为了运行各种电子设备 需要越来越大量的电能。利用汽车内燃机的排气余热，降低汽车为满足所
需电能的一次能量需求。
-第一工质可以是一种焊料，它尤其含有铅、碲或铋元素或作为合金 成分。含有一种或多种上述元素的焊料，提供对于第一工质所期望的物理 性质而且在工业应用中已经过考验。
-第二工质可以是一种油，优选发动机润滑油，当压力在2与Sbar之 间时，它的沸点在100。C与500。C之间，优选地沸点在200。C与30(TC之间。 所给出的温度范围特别适用于运行温差发电机。典型地，内燃机冷却系统 的冷却水具有最高温度约100。C。为了与此同时通过在温差发电机上存在的 温差保证有效地利用能量，温差发电机的热侧应处于约200。C以上的温度。 典型的可供商用的优质温差发电机，其最大负荷能力约为300°C。专门针对 高温用途设计的温差发电机具有的最大负荷温度约500。C。因为第二工质的 沸点决定了由温度限制装置允许的最大温度，所以沸点在所给出的温度范围内对于热电装置是特别有利的。
由上面没有论及的权利要求以及尤其由下面加以解释的附图，可知按 照本发明包含限温装置的热电装置的其他有利的扩展设计，附图中表示按
照本发明的热电装置的优选的扩展设计。其中
图1示意表示包含限温装置的热电装置的结构；
图2示意表示热电装置的结构，其中限温装置补充了一个充填第二液 态工质的第二腔；
图3示意表示热电装置的温差发电机作为时间函数的温度变化曲线； 图4示意表示热电装置的结构，其中热源与部分内燃机排气系统连接；
以及
图5示意表示热电装置的结构，其中热源与部分排气系统连接以及冷 源与部分内燃才几冷却系统连接。
在这些图中对应的部分总是采用同样的附图标记。没有详细说明的部 分都是众所周知的。
具体实施例方式
图1示意表示热电装置按优选的实施例的结构。它的温差发电机212 在第一侧大面积地与冷源211热连接。温差发电机212的热侧大面积地与 充填可熔化的第一工质218的腔214热连接。第一腔214又大面积地与热 源217热连接。上述元件之间的热连接，可优选地通过同样大面积的机械 连接实现。
通过热源217和冷源211，导致在温差发电机212上形成温度梯度。电 压可在温差发电机212的电接头213上截取。
为了阐述按图1所示优选实施例的热电装置的工作方式，可以从热源 有这样的温度出发，即，这一温度随时间波动一个适用于运行温差发电机 212的值。
若热源的温度升高到超过第一工质218的熔点TL,则它至少部分熔化。 此时温差发电机212的温度保持常数。若接着热源217的温度降到低于第 一工质218的熔点，则液态的第一工质218重新固化。在这种情况下凝固热至少部分传给温差发电机212。以此方式可以保持在温差发电机212上有 恒定的温度梯度。
图2表示热电装置按另一种优选的实施例由图1已知的结构。在这里 限温装置补充了另一个充填液体222的腔221。与此腔连接其中組合有再循 环冷却器224的管道系统223。第二腔221和管道系统223优选地设计为， 使形成的气态的第二工质222可以无阻碍地上升到再循环冷却器224,它处 于比第二腔221高的地理位置上。第二工质222的气态部分可以在再循环 冷却器224中再液化并在重力作用下回到第二腔221内。气态和液态的第 二工质222可至少在部分第二腔221和管道系统223中，通过虹吸效应造 成循环。
下面借助图3中示意表示的曲线，说明热电装置图2所示实施例的其 j也工作方式。
图3示意表示温差发电机的温度TTEG作为时间t的函数的温度变化曲
线。假定它是一种按图2中所示的优选实施例的热电装置。为了说明工作 方式从这样的热源出发，即，这一热源有恒定的高温，此温度高于温差发 电机212的最大允许温度231。温差发电机212的温度TTEG起先以某种加 热率按曲线用234表示的部分上升。在到达第一工质的熔点TL时，来自热 源的热量用于熔化处于第一腔214内的第一工质218。优选地，第一工质的 熔点IL可相应于温差发电才几212优选的工作温度232。
在第一工质218完全转变为液相后，温差发电机212的温度Tteg按曲 线用235表示的另一个部分上升。在用235表示的部分的温度上升的梯度， 可尤其小于曲线用234表示的部分的梯度。这种减緩的温度上升，是由于 与固相相比第一工质218的液相的热导率较低造成的。
特别有利地，通过使用一种液相有比固相低的热导率的介质，在介质 218完全熔化后可以增大腔214的热阻，并因而保证温差发电机212附加的
热保护。
随着温度的进一步增高，温差发电机212的温度TTEG继续上升直至第
二工质222的沸点Ts。当达到第二工质222的沸点Ts时，它转变为气相。 气态的第二工质222可以无阻碍地上升至再循环冷却器224，在这里它可以 再液化。以此方式多余的热量可以借助再循环冷却器224排出，要不然这 些热量会增大温差发电机212的热负荷。按所说明的热电装置优选的实施例，如图3中表示的那样，在温差发
电机212上存在的最大温度不可能达到临界值231 ，温差发电机212从临界 值231起会被破坏。
图4表示热电装置另一种优选的实施例。由图1已知的结构有如下发 展在这里热源217与内燃机241的部分排气系统242连接。热源217与 内燃机241排气系统242连接是特别有利的，因为典型地内燃机241的废 气取决于内燃机241的负荷程度可以有不同的温度。在第一腔214内第一 工质218的温度抑制作用可特别有利地与内燃机结合。
图5表示热电装置另一种优选的实施例，其中由图4已知的结构有如
下发展冷源211与内燃机241的部分循环冷却系统251连接。内燃机241
典型地具有冷却系统251。这种往往用温度约IO(TC的水工作的冷却系统，
意味着是一种非常适合于运行温差发电机212的冷源211。此外，所述冷源
可与至少部分内燃机241的润滑油冷却系统连接。附加地或唯一地，冷源
211与通过风道冷却的面252热连才妄。
按另一种没有详细说明的实施例，热电装置可以在包含内燃机Ml的
汽车上使用。在这种情况下要通过风道冷却的面252,可例如通过处于行驶
中汽车的相对气流冷却。
权利要求
1. 一种热电装置，它包括a)温差发电机(212)、热源(217)和冷源(211)，其中温差发电机(212)在第一侧与热源(217)和在第二侧与冷源(211)热连接，以及b)温差发电机(212)的限温装置，这些限温装置包括分别有平的相对置面的第一与第二腔(214、221)，这些腔的尺寸分别与温差发电机(212)的尺寸相适配，其中b1)第一腔(214)-至少基本上充满一种可熔化的第一工质(218)，以及-将相对置面之一大面积地与热源(217)连接，和将另一个相对置面大面积地与第二腔(221)的一个面连接，以及其中b2)第二腔(221)-至少基本上充满一种可汽化的第二工质(222)，以及-在其背对第一腔(214)的面上大面积地与温差发电机(212)连接，以及-与管道系统(223)连接，在管道系统中组合有再循环冷却器(224)，该再循环冷却器处于比第二腔(212)高的地理位置并将其设计为，使第二工质(222)的气态部分可以从第二腔(221)无阻碍地上升到再循环冷却器(224)，它在那里可以被再液化，其中c)第二腔(221)和管道系统(223)设计为，使液态及气态的第二工质(222)可通过虹吸效应引起至少在部分第二腔(221)和管道系统(223)中循环，以及其中d)第一工质(218)具有低于临界温度(231)的熔点(TL)，超过所述临界温度(231)将使温差发电机(212)永久性损坏，以及第二工质(222)具有的沸点(TS)高于第一工质(218)的熔点(TL)和低于所述临界温度(231)。
2. 按照权利要求1所述的热电装置，其特征为，所述第一工质(218) 在液态有比在固态时低的热导率。
3. 按照权利要求1或2所述的热电装置，其特征为，所述第一工质(218 ) 具有基本上相应于温差发电机(212)优选的工作温度(232)的熔点(Tl)， 其中，工作温度(232)低于所述临界温度(231 ),超过所述临界温度(231 ) 将使温差发电机(212)永久性损坏。
4. 按照前列诸权利要求之一所述的热电装置，其特征为，所述热源 (217)至少与内燃机(241)的部分排气系统(242)热连接，或由至少部分排气系统(242)构成。
5. 按照前列诸权利要求之一所述的热电装置，其特征为，所述冷源 (211)至少与内燃机(241)的部分冷却系统(251)热连接，或由至少部分冷却系统(251 )构成。
6. 按照前列诸权利要求之一所述的热电装置，其特征为，所述冷源 (211)与通过风道冷却的面(252 )热连接。
7. 按照前列诸权利要求之一所述的热电装置，其特征为，内燃机(241) 是汽车的组成部分。
8. 按照前列诸权利要求之一所迷的热电装置，其特征为，所述第一工 质(218)是一种焊料。
9. 按照权利要求8所述的热电装置，其特征为，所述烊料含有元素形 式或作为合金成分的铅、碲或铋。
10. 按照权利要求3至9之一所述的热电装置，其特征为，第二工质 (222)是一种油，优选发动机润滑油，当压力在2与5bar之间时，它的沸点在100。C与50(TC之间。
11. 按照权利要求10所述的热电装置，其特征为，规定作为第二工质 (222)的油，当压力在2bar与5bar之间时，具有的沸点在200。C与300°C之间。
全文摘要
本发明涉及一种热电装置，其含有一台温差发电机(212)，温差发电机在第一侧与热源(217)和在第二侧与冷源(211)热连接。此外热电装置还具有一些温差发电机(212)的限温装置。这些装置包括充满一种可熔化的第一工质(218)的第一腔(214)，该第一腔大面积地与热源(217)或与充满一种可汽化的第二工质(222)的第二腔(221)连接。第二腔(221)在其背对第一腔(214)的那一侧与温差发电机(212)连接。这两种工质(218、222)具有预定的熔点(T<sub>L</sub>)或沸点(T<sub>S</sub>)，以防止永久性损坏温差发电机(212)。所述热电装置特别适用于含有内燃机的汽车。
文档编号H01L35/30GK101512784SQ200780032474
公开日2009年8月19日 申请日期2007年8月21日 优先权日2006年8月31日
发明者西蒙·休廷格 申请人:西门子公司