技术领域
[0001] 本
发明涉及一种热电发电机，该热电发电机适合用于，将包含在热
流体中的(例如在
内燃机驱动的车辆的排气中的)
热能至少部分地转换为
电能。以这种方式在系统中——在所述系统中包含在热流体中的热能作为损耗积累，系统的总效率提高。在车辆的情况下结果是每行驶公里的
燃料消耗和排放降低。本发明还涉及一种用于这种热电发电机的接触元件。
背景技术
[0002] 热电发电机(TEG)将热量(具体是贯穿热电发电机的热流)直接转换为电能。为此，热电发电机由多个
热电偶(该多个热电偶通常也被称为“热电模
块”)(TEM)构成，多个热电偶被安装在热电发电机的冷侧与热侧之间并电
串联和/或并联。在热电偶中将热能实际转换为电能。该转换可以基于不同的效应(例如
塞贝克效应和汤姆逊效应)。为了促成在冷侧或热侧与热电偶之间的导热，热电发电机通常具有一个或多个由高导热性材料制成的接触元件。这种接触元件特别用于，使表面不平坦处变平坦并因此能够实现在热电偶的全表面上的导热。
[0003] 在此，使用
温度范围——在该使用温度范围内已知的热电偶具有可接受的效率——相对窄。在使用温度范围内，热电偶的效率由冷侧与热侧之间的温度差确定。效率还确定由热电偶提供的(电)压。常用的热电偶基本上由Bi2Te3，PbTe，SiGe，BiSb或FeSi2制成。
[0004] 在应用热电发电机时重要的是，将灵敏的(特别是压
力敏感的)热电偶这样集成在流体流(例如内燃机驱动的车辆的排气系)中，使得在热电偶的表面上存在最大可用的温度差。同时不应或仅应轻微地提高
对流体的反压力，这是因为提高的反压力也提高了对于流体运输所需要的
能量(和因此在内燃机驱动的车辆中提高燃料消耗)。最后，热电偶应通过以下方式尽可能在一个使用温度范围中运行，即该热电偶具有可接受的效率。这个问题的解决在应用在车辆中时由于车辆中或车辆下方的狭窄的结构空间而额外变得困难。
[0005] 热电发电机在内燃机驱动的车辆的排气系统中的应用由
现有技术已知。作为例子参考文献EP 1 475 532 A2、JP H07-012009 A和WO 2009/138158 A1。
[0006] 由文献WO 2009/138158 A1已知，将所应用的热电发电机的冷侧与冷却剂循环回路连接并且因此冷却。此外由文献WO 2009/138158 A1已知，通
过冷却片提高所应用的热电发电机的热侧上的热排气的热量吸收。在此，冷却片
密度或所应用的冷却片类型沿排气流的流动方向应该是不同的，因此对于热电偶来说在热排气流上游的导热性比对于热电偶在热排气流下游的导热性低。
[0007] 在上述系统中不利的是，通常将多个被设计为用于不同使用温度范围的热电发电机与旁路连接地用于热流体，以便能够在热流体温度
波动的情况下整体上使用热流体的宽广的温度范围。但是旁路具有大的
位置需求并由于多个应用的热电发电机而是昂贵的。
[0008] 此外在上述系统中通常存在以下问题：沿热流体的流动方向依次/串联布置的热电发电机热电偶由于从热流体中抽出的热能而被加载不同的温度差。其结果是，热电偶产生不同大小的
电压(并提供不同的功率)，这引起下述电力
电子设备的复杂结构。
[0009] 此外在上述系统中出现以下问题：必须避免被布置在热流体上游的热电发电机热电偶的热过载。
[0010] 最后，热电发电机的安装由于多个部件(热电偶和接触元件)而是成本高的。
发明内容
[0011] 由此出发，本发明的目的在于，提供一种紧凑型热电发电机，用于将包含在流体中的热能转换成电能，其具有特别宽广的使用温度范围并且能简单地制造。
[0012] 本发明的另一个目的在于，提供一种紧凑型热电发电机，用于将包含在流体中的热能转换为电能，其中，所有形成热电发电机的热电偶被加载基本上相同的热流。在此，基本上相同的热流应理解为以下所述的热流，其中，向各个热电偶所加载的热流的功率彼此的偏差小于20％和特别是小于10％。因此，热电偶也具有基本上相同的功率。
[0013] 本发明的另一个目的在于，最终提供一种用于将包含在流体中的热能转换为电能的紧凑型热电发电机，其中，被布置在热流体上游的热电偶被避免热过载。
[0014] 本发明的另一个目的在于，为这种热电发电机提供一种合适的接触元件，该接触元件简化了安装投入。
[0015] 上述目的通过独立
权利要求的特征组合来实现。在
从属权利要求中给出优选的改进方案。
[0016] 热电发电机的实施方式包括：用于引导热流体的第一流动通道；用于引导冷流体的第二流动通道；多个热电偶，所述多个热电偶被布置在第一流动通道与第二流动通道之间；被布置在所述多个热电偶与第一流动通道的壁部之间的第一接触元件；和，被布置在所述多个热电偶与第二流动通道的壁部之间的第二接触元件。第一流动通道具有入口和出口，该入口和出口确定用于热流体的第一流动方向。热流体因此通过第一流动通道的入口进入第一流动通道中并通过其出口离开第一流动通道。相应地，第二流动通道也具有入口和出口，该入口和出口确定用于冷流体的第二流动方向。冷流体因此通过第二流动通道的入口进入第二流动通道中并通过其出口离开第二流动通道。所述多个热电偶中的一定数量的热电偶被这样布置在第一流动通道与第二流动通道之间，即一定数量的热电偶沿第一流动方向成对地彼此相邻(由此使得热电偶沿第一流动方向依次地布置)。在此，相邻的热电偶可以直接彼此邻接，或彼此间隔开。被布置在所述多个热电偶与第一流动通道的壁部之间的第一接触元件具有配属于各个热电偶的接触部段，该接触部段提供在分别附属的热电偶与第一流动通道的壁部之间的导热连接。该导热连接具有
传热热阻并且可以有利于导热(在相对较低的传热热阻的情况下)或阻碍导热(在相对较高的传热热阻的情况下)。相应地，被布置在所述多个热电偶与第二流动通道的壁部之间的第二接触元件也具有配属于各个热电偶的接触部段，该接触部段提供在分别附属的热电偶与第二流动通道的壁部之间的导热连接。该导热连接具有传热热阻并且可以有利于导热(在相对较低的传热热阻的情况下)或阻碍导热(在相对较高的传热热阻的情况下)。第一接触元件和第二接触元件的、配属于第一热电偶的接触部段的传热热阻的总和大于第一接触元件和第二接触元件的、配属于第二热电偶的接触部段的传热热阻的总和，所述第一热电偶被沿第一流动方向布置在第二热电偶上游(该第一热电偶更加靠近用于热流体的入口，该第二热电偶被更远地和用于热流体的入口间隔开)。
[0017] 在此，在本文献中形容词“热”表示在第一流动通道中引导的流体，该流体具有比在第二流动通道中引导的“冷”流体高的温度。
[0018] 此外，在本文献中概念“流动通道”一般表示引导流体流动的体部、例如管道。优选地，引导流体流动的体部具有恒定的横剖面。
[0019] 概念“热电偶”在本文献中表示电的结构元件，该结构元件允许将热量直接转换为电能。
[0020] 最后，在本文献中将概念“传热热阻”理解为相应的接触元件的相应的接触部段的
传热系数和通过面尺寸的乘积的倒数。传热系数可以通过确定在一时间段内通过相应的接触部段传递的热量来确定，其中，根据一个实施方式将下述的温度差用作在相应的接触部段上游和下游的温度差，在所述温度差的情况下，附属的热电偶具有最大效率。另选地可以为了确定传热系数应用800℃(热侧)和300℃(冷侧)的温度差。
[0021] 利用上述结构可以实现，在热流体的温度整体上高于现有技术的情况下驱动热电发电机，这是因为在第一流动通道的入口中接近布置的热电偶的热过载可以通过有意设置相应高的传热热阻用于附属于相应的热电偶的第一接触元件接触部段来防止。因此对于热电发电机来说也能够实现特别宽广的使用温度范围，且不需要为此设置旁路。
[0022] 此外可以在使第一接触元件和第二接触元件的接触部段——该接触部段配属于被沿第一流动方向布置的热电偶——的传热热阻的相应的总和相应适配于热流体和冷流体的温度、流动速度和
热容量的情况下确保：在第一流动通道与第二流动通道之间通过第一热电偶传递的热量(热流)和在第一流动通道与第二流动通道之间通过第二热电偶(和各个被沿第一流动方向后续布置在下游的热电偶)传递的热量近似一样大。因此可以实现，为各个被沿第一流动方向依次布置的热电偶加载大致相同的温度差并因此在相同的效率范围内运行。这导致大致同样的热电偶功率。此外，热电偶随后提供大致同样的电压，这简化了后续的电力电子设备的结构。
[0023] 根据一个实施方式，第一接触元件的不同的传热热阻基于：第一接触元件在第一热电偶与第一流动通道之间的接触部段中的厚度大于第一接触元件在第二热电偶(和可选地各个被沿第一流动方向后续布置在下游的热电偶)与第一流动通道之间的接触部段中的厚度。这当然也引起热电偶和第一流动通道之间的不同间距。第一热电偶则比被沿第一流动方向布置在下游的热电偶更远地和第一流动通道的壁部间隔开。
[0024] 根据一个实施方式，第一接触元件的不同的传热热阻基于：第一接触元件在第一热电偶与第一流动通道之间的接触部段中具有比在第二热电偶(和可选地各个被沿第一流动方向后续布置在下游的热电偶)与第一流动通道之间的接触部段中低的高导热性材料含量。因此，第一接触元件在配属于第一热电偶的接触部段中的材料成分不同于第一接触元件在配属于第二热电偶的接触部段中的材料成分。例如，第一接触元件在配属于第一热电偶的接触部段中具有比在配属于第二热电偶的接触部段中高的、具有相对较低导热性的材料的含量。
[0025] 根据一个实施方式，第一接触元件的不同的传热热阻基于：第一接触元件在第一热电偶与第一流动通道之间的接触部段中的实际/有效横剖面面积小于第一接触元件在第二热电偶(和可选地各个被沿第一流动方向后续布置在下游的热电偶)与第一流动通道之间的接触部段中的实际横剖面面积。在此根据一个实施方式，在第一流动通道的壁部与附属的热电偶之间在中间确定第一接触元件的实际横剖面面积。实际横剖面面积可以例如通过将空腔或凹槽引入第一接触元件的相应的接触部段中而受到影响，这也整体上引起第一接触元件的接触部段的不同密度。
[0026] 根据一个实施方式，第一接触元件的不同的传热热阻基于：第一接触元件的接触部段的、和第一热电偶处于接触状态中的表面的尺寸小于第一接触元件的接触部段的、和第二热电偶(或可选地各个被沿第一流动方向后续布置在下游的热电偶)处于接触状态中的表面的尺寸。例如可以在第一接触元件的接触部段中设置凹槽，该凹槽在第一流动通道的壁部与附属的热电偶之间的相应的接触部段中完全穿透第一接触元件。随后可以通过在第一接触元件的相应的接触部段中的凹槽的数量和尺寸实现传热热阻的调节。
[0027] 根据实施方式，第二接触元件在接触部段中的不同的传热热阻可以同样基于一个或多个上面结合第一接触元件所说明的措施：因此，第二接触元件在第一热电偶与第二流动通道之间的接触部段中的厚度可以和第二接触元件在第二热电偶与第二流动通道之间的接触部段中的厚度不同，这也在此引起第一热电偶和第二热电偶与第二流动通道之间的不同间距。另选地或附加地，第二接触元件可以在第一热电偶与第二流动通道之间的接触部段中具有和在第二热电偶与第二流动通道之间的接触部段中不同的高导热性材料含量，因此，第二接触元件在配属于第一热电偶的接触部段中的材料成分不同于第二接触元件在配属于第二热电偶的接触部段中的材料成分。另选地或附加地，第二接触元件在第一热电偶与第二流动通道之间的接触部段中的实际横剖面面积可以和第二接触元件在第二热电偶与第二流动通道之间的接触部段中的实际横剖面面积不同，其中，也在此根据一个实施方式在第二流动通道的壁部与附属的热电偶之间在中间确定第二接触元件的实际横剖面面积。另选地或附加地，第二接触元件的接触部段的、和第一热电偶处于接触状态中的表面的尺寸可以和第二接触元件的接触部段的、和第二热电偶处于接触状态中的表面的尺寸不同。第二热电偶也在此备选地代表对于各个第一热电偶被沿第一流动方向在下游(后续)布置的热电偶。
[0028] 上述措施可以容易地和成本有利地实现并允许自由调整相应的传热热阻。
[0029] 根据一个实施方式，所述第一接触元件和第二接触元件中的至少一个在配属于第一热电偶的接触部段与配属于第二热电偶的接触部段之间具有分隔区域，在所述分隔区域中，传热热阻相对于相邻的接触部段的平均传热热阻提高至少五倍和特别是提高至少十倍。
[0030] 根据一个实施方式，接触元件的传热热阻在配属于第一热电偶的接触部段与配属于第二热电偶的接触部段之间的分隔区域中相对于接触元件的相邻的接触部段的平均传热热阻提高小于一万倍和特别是提高小于一千倍和进一步特别是提高小于一百倍，因此得出下面的可能范围：五倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一万倍提高；五倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一千倍提高；五倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一百倍提高；十倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一万倍提高；十倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一千倍提高；十倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一百倍提高。
[0031] 以这种方式可以减少或完全禁止在沿相应流体的流动方向相邻的热电偶之间经过相应的接触元件的不期望的热流。
[0032] 根据一个实施方式，第一接触元件在至少一个接触部段中具有至少一个缺口，所述至少一个缺口的最大伸展范围被沿第一流动方向定向。根据一个实施方式，凹槽是长孔。根据一个实施方式，第二接触元件在至少一个接触部段中具有至少一个缺口，所述至少一个缺口的最大伸展范围被沿第二流动方向定向。根据一个实施方式，凹槽是长孔。
[0033] 以这种方式可以为贯穿相应的接触元件的接触部段的热流规定优先方向，该优先方向沿相应的流体的流动方向延伸。这使得能更容易沿相应的流体的流动方向为表面加载基本上相同的高温，这是因为不禁止或基本上不禁止在接触部段内沿相应的流体的流动方向的导热。
[0034] 根据一个实施方式，第一接触元件在配属于第一热电偶的接触部段与配属于第二热电偶的接触部段之间具有至少一个缺口，所述至少一个缺口的最大伸展范围被横向于第一流动方向定向。根据一个实施方式，凹槽是长孔。根据一个实施方式，第二接触元件在配属于第一热电偶的接触部段与配属于第二热电偶的接触部段之间具有至少一个缺口，所述至少一个缺口的最大伸展范围被横向于第二流动方向定向。根据一个实施方式，凹槽是长孔。
[0035] 以这种方式可以几乎完全禁止在沿相应流体的流动方向相邻的热电偶之间经过相应的接触元件的不期望的热流。
[0036] 根据一个实施方式，第一接触元件在配属于第一热电偶的接触部段中的传热热阻大于第一接触元件在配属于第二热电偶的接触部段中的传热热阻。
[0037] 以这种方式可以确保，避免被布置成接近用于热流体的第一流动通道入口的热电偶的热过载。
[0038] 根据一个实施方式，当第一流动方向和第二流动方向被相同地定向时，第二接触元件在配属于第一热电偶的接触部段中的传热热阻大于第二接触元件在配属于第二热电偶的接触部段中的传热热阻，和当第一流动方向和第二流动方向被相反地定向时，第二接触元件在配属于第一热电偶的接触部段中的传热热阻低于第二接触元件在配属于第二热电偶的接触部段中的传热热阻。
[0039] 根据一个实施方式，第一流动通道的壁部是平滑的并且不具有冷却片，第一接触元件被布置在所述壁部上。根据一个另选的实施方式，第一流动通道的壁部具有被沿第一流动方向均匀分布布置的冷却片，第一接触元件被布置在所述壁部上。根据一个实施方式，第二流动通道的壁部是平滑的并且不具有冷却片，第二接触元件被布置在所述壁部上。根据一个另选的实施方式，第二流动通道的壁部具有被沿第二流动方向均匀分布布置的冷却片，第二接触元件被布置在所述壁部上。根据一个实施方式，冷却片被布置在相应的流动通道的壁部的与流体接触但是不与相应的接触元件接触的一侧。因此，冷却片被布置在相应的流动通道内部。
[0040] 具有平滑的壁部的流动通道的应用和放弃被布置在流动通道内的冷却片避免了在流动通道中引导的流体的流阻提高并且进而避免了由于流动损耗而引起的总效率的降低。另一方面，冷却片的设置提高了可供导热使用的面积。随后确保了冷却片沿相应的流动方向的均匀分布，即可供热传递使用的面积在相应的流动通道的整个延伸范围上大约相同大。流阻随后也在相应的流动通道的整个延伸范围上是近似恒定的。
[0041] 根据一个实施方式，第一接触元件一体地提供所有接触部段。根据一个实施方式，第二接触元件一体地提供所有接触部段。
[0042] 接触元件和附属的接触部段的一体设计形式简化了热电发电机的安装，这是因为将所用部件数量保持较少。此外，接触元件的一体设计形式允许固定地预设接触部段的顺序。
[0043] 根据一个实施方式，多个热电偶被
单层地布置在第一流动通道与第二流动通道之间。
[0044] 根据一个实施方式，第一热电偶和第二热电偶(也就是说被沿第一流动方向相邻布置的热电偶)是成对地彼此之间结构相同的或所述多个热电偶中的所有热电偶是彼此之间结构相同的。
[0045] 根据一个实施方式，第一接触元件是由
石墨或
硅橡胶或聚酰亚胺或
氧化
铝或合成
云母或
丙烯酸类
聚合物制成的导热
薄膜。根据一个实施方式，第二接触元件是由石墨或硅橡胶或聚酰亚胺或氧化铝或合成云母或丙烯酸类聚合物制成的导热薄膜。
[0046] 在这些材料的情况下可以通过孔的引入容易地提供具有不同传热热阻的接触部段。
[0047] 热电发电机的实施方式没有旁路管。
[0048] 一种另选的热电发电机实施方式包括流动通道，该流动通道具有用于引导流体的入口和出口，其中，流动通道的入口和出口确定用于流体的流动方向。热电发电机还包括多个热电偶，所述多个热电偶被沿流动方向彼此相邻地布置在流动通道旁边，此外，热电发电机包括被布置在所述多个热电偶与流动通道的壁部之间的接触元件，该接触元件具有配属于各个热电偶的接触部段，该接触部段提供在分别附属的热电偶与流动通道的壁部之间的导热连接。在此，接触元件在配属于直接相邻的热电偶的直接相邻的接触部段之间具有分隔区域，在所述分隔区域中，传热热阻相对于接触元件的直接相邻的接触部段的平均传热热阻提高至少五倍和特别是提高至少十倍。
[0049] 根据一个实施方式，接触元件的传热热阻在配属于直接相邻的热电偶的直接相邻的接触部段之间的分隔区域中相对于接触元件的直接相邻的接触部段的平均传热热阻提高小于一万倍和特别是提高小于一千倍和进一步特别是提高小于一百倍，因此得出下面的可能范围：五倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一万倍提高；五倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一千倍提高；五倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一百倍提高；十倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一万倍提高；十倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一千倍提高；十倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一百倍提高。
[0050] 通过设置这种分隔区域可以减少或完全禁止在相邻的热电偶之间经过接触元件的热流。同时，通过应用一体接触元件减少了安装投入。
[0051] 根据一个实施方式，直接相邻的热电偶被设计为用于不同的温度范围。以这种方式可以避免热电偶的热过载，这是因为通过接触元件也不能实现在相邻的热电偶之间的导热。
[0052] 根据一个实施方式，接触元件在配属于第一热电偶的接触部段与配属于相邻的第二热电偶的接触部段之间具有至少一个缺口，所述至少一个缺口的最大伸展范围被横向于流动方向定向。根据一个实施方式，凹槽是长孔。
[0053] 以这种方式可以几乎完全禁止在沿相应流体的流动方向相邻的热电偶之间经过相应的接触元件的不期望的热流。
[0054] 用于内燃机驱动的车辆的排气系统的实施方式包括如上文所述的热电发电机，其中，第一流动通道是排气系统的排气管或能与排气系统的排气管连接。
[0055] 用于热电发电机的接触元件的实施方式具有多个接触部段，所述多个接触部段被设计为用于，提供在热电发电机的分别附属邻接的热电偶与流动通道的邻接的壁部之间的导热连接。在此，接触元件在配属于彼此相邻的热电偶的相邻的接触部段之间具有分隔区域，在所述分隔区域中，传热热阻相对于相邻的接触部段的平均传热热阻提高至少五倍和特别是提高至少十倍。这可以例如通过应用另一种材料成分用于分隔区域中的接触元件来实现，或由此实现，即分隔区域中的接触元件具有小于相邻的接触部段中的密度或材料厚度。另选地，接触元件也可以在配属于相邻的热电偶的相邻的接触部段之间具有一个缺口(或多个缺口)，该缺口的最大伸展范围被沿相邻的接触部段之间的分隔线的方向定向。例如缺口可以是长孔或多个沿线布置的(圆)孔。
[0056] 根据一个实施方式，接触元件的传热热阻在配属于彼此相邻的热电偶的相邻的接触部段之间的分隔区域中相对于接触元件的相邻的接触部段的平均传热热阻提高小于一万倍和特别是提高小于一千倍和进一步特别是提高小于一百倍，因此得出下面的可能范围：五倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一万倍提高；五倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一千倍提高；五倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一百倍提高；十倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一万倍提高；十倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一千倍提高；十倍提高≤分隔区域中的传热热阻<一百倍提高。
[0057] 以这种方式可以减少或禁止在相邻的热电偶之间经过接触元件的热流。
[0058] 根据一个实施方式，接触元件具有矩形形状，该矩形具有两个平行的长边和两个平行的短边，在配属于相邻的热电偶的相邻的接触部段之间设有缺口，该缺口的最大伸展范围被平行于接触元件的短边定向。
[0059] 根据一个实施方式，接触元件一体地提供所有接触部段。
[0060] 根据一个实施方式，接触元件是由石墨或硅橡胶或聚酰亚胺或氧化铝或合成云母或丙烯酸类聚合物制成的导热薄膜。
[0061] 在此情况下要指出，在本
说明书和权利要求中被用于列举特征的概念“包括”，“具有”，“包含”，“含有”和“带有”，及其语法变型一般可理解成，非穷尽地列举特征、例如方法步骤、装置、区域，尺寸等等，并且不排除存在其它的或附加的特征或其它的或附加的特征的组合。
附图说明
[0062] 本发明的其它特征由下述对
实施例的说明结合权利要求以及附图得出。在图中，相同的或类似的元件用相同的或类似的附图标记表示。要指出，本发明不限于所述实施例的实施方式，而是通过附加的权利要求的范围确定。特别地，在根据本发明的实施方式中的各个特征能够以不同于在下述实施例中的数量和组合来实现。在下述对本发明实施例的说明中参考附图，其中
[0063] 图1A示出根据第一个实施方式的热电发电机的示意性透视图；
[0064] 图1B示意性示出图1A中的热电发电机的剖视图；
[0065] 图1C示意性示出第一接触元件和第二接触元件的俯视图，其被应用在图1A中的热电发电机中；
[0066] 图2A示出根据第二个实施方式的热电发电机的示意性透视图；
[0067] 图2B示意性示出图2A中的热电发电机的剖视图；
[0068] 图3A示出根据第三个实施方式的热电发电机的示意性透视图；
[0069] 图3B示意性示出图3A中的热电发电机的剖视图；
[0070] 图3C示意性示出第一接触元件和第二接触元件的俯视图，其被应用在图3A中的热电发电机中；
[0071] 图4示出根据第四个实施方式的热电发电机的示意性透视图；
[0072] 图5示出根据第五个实施方式的热电发电机的示意性透视图；
[0073] 图6示意性示出排气系统，该排气系统应用根据第五个实施方式的热电发电机；
[0074] 图7A示出根据第六个实施方式的热电发电机的示意性透视图；
[0075] 图7B示意性示出图7A中的热电发电机的剖视图；和
[0076] 图7C示意性示出第一接触元件和第二接触元件的俯视图，其被应用在图7A中的热电发电机中。
具体实施方式
[0077] 下面参考图1A至1C描述热电发电机7和附属的接触元件4，5的第一个实施方式。在此，图1B示出图1A中透视示出的热电发电机沿切线A-A的横剖面图，图1C示出在图1A和1B中的热电发电机中所应用的第一接触元件4和第二接触元件5的俯视图。
[0078] 如可以特别容易地从图1A和1B中可见地，热电发电机7具有在图中被布置在上方的第一流动通道1和在图中被布置在下方的第二流动通道2。两个流动通道1和2在所示出的实施方式中由不锈
钢板形成并分别具有恒定的矩形的横剖面。
[0079] 上方的第一流动通道1在所示出的实施方式中沿通过箭头表示的第一流动方向10被热的800℃的排气流流过，该排气流通过在图1B中被布置在右侧的入口11进入第一流动通道1中并通过在图1B中被布置在左侧的出口12离开第一流动通道1。下方的第二流动通道2在所示出的实施方式中沿通过箭头表示的第二流动方向20被热的40℃的并因此是相对冷的空气流流过，该空气流通过在图1B中被布置在左侧的入口21进入第二流动通道2中并通过在图1B中被布置在右侧的出口22离开第二流动通道2。可以看到，第一流动方向10和第二流动方向20在所示出的实施方式中被相反定向，从而在上方的第一流动通道1中引导的热的排气流和在下方的第二流动通道2中引导的冷的空气流以相反流动方式流
过热电发电机
7。
[0080] 在第一流动通道1与第二流动通道2之间，在层3中这样布置有三个结构相同的热电偶31，32和33，从而这三个热电偶被沿第一流动方向10和第二流动方向20单层地成一排相邻布置。在此，在直接相邻的热电偶31与32之间或者32与33之间分别存在小的间距。在第一流动通道1的壁部与被布置在层3中的热电偶31，32和33之间的热连接通过第一接触元件4提供，该第一接触元件在当前的实施方式中是由合成云母制成的导热薄膜。在被布置在层
3中的热电偶31，32和33与第二流动通道2的壁部之间的热连接通过第二接触元件5建立，该第二接触元件在当前的实施方式中是由石墨制成的导热薄膜。在800℃的热的排气流与40℃的冷的空气流之间的温差在两个流动通道1，2之间引起了贯穿第一接触元件4、热电偶
31，32和33以及第二接触元件5的热流。
[0081] 在此，第一接触元件4和第二接触元件5具有传热热阻，该传热热阻沿第一流动方向10和第二流动方向20变化。
[0082] 如可以特别容易地从图1C中第一接触元件4和第二接触元件5的俯视图中看到地，形成第一接触元件4的、由合成云母制成的导热薄膜通过两个沿厚度方向完全贯穿第一接触元件4的长孔45分成三个接触部段41，42和43，该接触部段的最大伸展范围被横向于第一流动方向10定向。在此，该设计为长孔45的凹槽确保了，第一接触元件4在分别相邻的接触部段41与42或者42与43之间的导热性几乎为零。由石墨制成的导热薄膜形成的第二接触元件5也通过两个彼此沿第二流动方向20间隔开布置的长孔55分成三个彼此热绝缘的接触部段51，52和53，该长孔沿厚度方向完全贯穿第二接触元件5。在此，该设计为长孔55的凹槽也被这样定向，即该凹槽的最大伸展范围被横向于流动方向20定向并因此尽可能禁止在分别相邻的接触部段51与52或者52与53之间的导热。
[0083] 第一接触元件4和第二接触元件5的接触部段41，42，43，51，52，53分别配属于热电偶31，32和33。在此，第一接触元件4和第二接触元件5在其相应的接触部段41，42，43，51，52，53中具有不同的传热热阻。这在所示出的实施方式中由此实现，即设计为由合成云母制成的导热薄膜的第一接触元件4在接触部段41和42中具有不同数量的、分别设计为长孔46的凹槽。在此，长孔46的最大伸展范围被沿第一流动方向10定向，从而有利于在相应的接触部段41和42内沿第一流动方向10的导热。基于最大数量的长孔46，第一接触元件4在接触部段41中具有最小的实际横剖面面积，而在没有凹槽的接触部段43中具有最大的实际横剖面面积。此外，第一接触元件4在接触部段41中的、与第一热电偶31处于接触状态中的表面最小，而在接触部段43中的、与第三热电偶33处于接触状态中的表面最大。
[0084] 相应地，设计为由石墨制成的导热薄膜的第二接触元件5在接触部段52和53中具有不同数量的、分别设计为长孔56的凹槽。这也导致，第二接触元件5在接触部段51中的、与第一热电偶31处于接触状态中的表面的实际横剖面面积和尺寸最大，而在接触部段53中则最小。
[0085] 在此，第一接触元件4和第二接触元件5的、配属于热电偶31，32，33的接触部段41和51，42和52，53和53在其相应的传热热阻方面被这样彼此调整，使得第一接触元件4和第二接触元件5的、配属于第一热电偶31的接触部段41和51的传热热阻的总和大于第一接触元件4和第二接触元件5的、配属于第二热电偶32的接触部段42和52的传热热阻的总和，以及所述配属于第二热电偶32的接触部段42和52的传热热阻的总和又大于第一接触元件4和第二接触元件5的、配属于第三热电偶33的接触部段43和53的传热热阻的总和。因此，第一接触元件4和第二接触元件5的接触部段41，42，43，51，52，53的传热热阻的总和沿第一流动方向10减小。这种调整既通过制成第一接触元件4和第二接触元件5的材料的选择实现，又通过被引入接触部段41，42，52，53中的凹槽的布置结构、尺寸和数量实现。有意设置相对高的传热热阻用于沿第一流动方向10最接近于第一流动通道1的入口11布置的第一热电偶31实现了，该第一热电偶31被良好地保护以防止热过载。
[0086] 由于同时第二接触元件5在配属于第一热电偶41的接触部段51中的传热热阻低于配属于第二热电偶32的第二接触部段52的传热热阻，因此同时确保了在第一热电偶31与第二流动通道2的壁部之间的良好导热，从而被第一热电偶31传递的热量可以被调节为整体上等于被第二热电偶32和第三热电偶33传递的热量。
[0087] 由于在所示出的实施方式中，第一接触元件4的接触部段41，42和43和第二接触元件5的接触部段51，52和53分别被一体地提供，因此接触元件4，5及附属的接触部段41，42，43，51，52，53的安装是简单的。此外，具有不同的传热热阻的接触部段41，42，43，51，52，53的布置结构被固定预设，从而能够避免在安装时的错误。
[0088] 在所示出的实施方式中，两个流动通道1，2的内壁在其朝向/邻接热电偶31，32，33的一侧上是平滑的并由此没有冷却片，从而第一流动通道1和第二流动通道2分别具有非常低的流阻。
[0089] 虽然在图1A至1C中示出的实施方式中第一接触元件4和第二接触元件5由不同的材料制成，但是本发明并不限于此。另选地，第一接触元件4和第二接触元件5也可以由相同的材料制成。
[0090] 下面参考图2A和2B描述本发明的第二实施方式。在此为了避免重复仅讨论和联系图1A至1C所描述的第一实施方式之间的区别。图2B在此也示出图2A中示意性透视示出的热电发电机7视图的沿切线A-A的横剖面图。
[0091] 根据第二实施方式的热电发电机7和前述第一实施方式的热电发电机7之间的区别在于，根据第二实施方式的第一接触元件4和第二接触元件5分别都没有凹槽。也就是说，在第一接触元件4的配属于第一热电偶31的接触部段41中的、在第一接触元件4的配属于第二热电偶32的接触部段42中的、以及在第一接触元件4的配属于第三热电偶33的接触部段43中的不同的传热热阻由此实现，即第一接触元件4沿第一流动方向10的厚度减小。因此，第一接触元件4在配属于沿第一流动方向10在上游作为第一个布置的第一热电偶31的接触部段41中的厚度最大，而在配属于沿第一流动方向10在下游作为最后一个布置的第三热电偶33的接触部段43中的厚度最小。为了仍然能够确保在第一流动通道1与第二流动通道2之间的恒定的间距，第二接触元件5在接触部段51，52和53中的厚度恰好相反于第一接触元件
4。
[0092] 因此，沿第一流动方向10在最上游布置的第一热电偶31被与第一流动通道1的壁部最远地间隔开并与第二流动通道2的壁部最近地布置，而沿第一流动方向10在最下游布置的第三热电偶33被与第一流动通道1的壁部最近地布置并与第二流动通道2的壁部最远地间隔开。
[0093] 为了提供第一接触元件4和第二接触元件5的不同的材料厚度，两个接触元件4和5在所示出的实施方式中由具有不同添加量的瓷小球的硅橡胶制成，该硅橡胶被压到相应的第一流动通道1和第二流动通道2上。在该实施方式中，相邻的热电偶31和32以及32和33也是成对地相互结构相同的。在该实施方式中，配属于热电偶31，32，33的接触部段41和51，42和52，43和53的传热热阻的总和沿第一流动方向10减小。
[0094] 下面参考图3A至3C描述热电发电机7和附属的接触元件4，5的第三实施方式。在此也为了避免不必要的重复而参考前述的实施方式并仅详细讨论区别。
[0095] 如可特别容易地由图3A看到地，第一流动通道1和第二流动通道2的壁部在这里所示出的实施方式中在其朝向热电偶31，32，33的一侧上分别具有冷却片61和62，该冷却片被沿第一流动方向10和第二流动方向20分别均匀分布地布置。因此，第一流动通道1和第二流动通道2的壁部的面积比供热传递使用的面积大。
[0096] 和前述的第一实施方式和第二实施方式不同的是，在第三实施方式中，第一流动方向10和第二流动方向20被沿相同方向定向，从而第一流动通道1和第二流动通道2以直流电运行。
[0097] 在此，第一接触元件4和第二接触元件5的接触部段41和51分别配属于沿第一流动方向10和第二流动方向20在最上游布置的第一热电偶31，其具有最高的传热热阻，而第一接触元件4和第二接触元件5的接触部段43和53分别配属于在最下游布置的热电偶33，其具有最低的传热热阻。
[0098] 如可容易地由图3C看到地，在该实施方式中分别由丙烯酸类聚合物制成的第一接触元件4和第二接触元件5的传热热阻通过引入缺口46或56调节。当然在此示出的实施方式中，传热热阻和第一实施方式中不同地通过凹槽46和56的数量变化，而是通过相应的凹槽46和56的尺寸变化。
[0099] 此外，在第三实施方式中，第一接触元件4的接触部段41，42和43和第二接触元件5的接触部段51，52和53——不同于在第一实施方式中——不通过长孔而是通过区域45和55划分，在其中，第一接触元件4和第二接触元件5具有大大提高含量的低导热性材料。在所示出的实施方式中，这种具有低导热性的材料是氧化铝。因此，传热热阻在区域45和55中在分别相邻的接触部段41和42或者42和43以及51和52或者52和53之间在所示出的实施方式中比分别邻接的接触部段的平均传热热阻高11倍。
[0100] 在部段45和55中应用的用于改变传热热阻的材料成分调整技术也可以另选地用于，调节第一接触元件4的接触部段41，42和43的传热热阻和/或第二接触元件5的接触部段51，52和53的传热热阻。
[0101] 下面参考图4说明热电发电机7的第四实施方式。在此仅详细讨论与第一实施方式之间的区别，并参考第一实施方式的设计。
[0102] 在图4中示出的第四实施方式和在图1A至1C中示出的第一实施方式的区别特别在于，设有两个引导冷的空气流的第二流动通道2，在它们之间布置有引导热的排气流的第一流动通道1。在此，在第一流动通道1与相邻的第二流动通道2之间分别布置有热电偶3，在第一流动通道1与热电偶3之间的导热分别通过第一接触层4建立。在热电偶3与分别相邻的第二流动通道2之间的导热分别通过第二接触元件5建立。在图4中示出的结构中可以特别高效地利用在第一流动通道1中引导的热的排气流的热能。
[0103] 下面参考图5说明热电发电机7的第五实施方式。在此为了避免重复仅讨论与第四实施方式之间的区别并且参考前述设计。
[0104] 在图5中示出的热电发电机7和在图4中示出的热电发电机7的区别仅在于，发电机不以相反流动方式、而是以交叉流动方式被流过。相应地，在第一流动通道1与两个第二流动通道2之间分别以多个彼此平行排列的方式布置有单层地布置的热电偶3。
[0105] 下面参考图6描述排气系统8的实施方式，该排气系统应用根据图5中示出的第五实施方式的热电发电机7。
[0106] 如由图6可以看到地，由具有
马达
控制器91的内燃机90所产生的排气通过第一流动通道1的入口引导入热电发电机7中。第一流动通道1的出口与排气系统8的排气管81连接，该排气管81通入末端管道82中。
[0107] 当然排气系统8还可以具有消声器或排气
净化系统等；但是为了简化的原因未示出这些元件。
[0108] 下面参考图7A至7C说明热电发电机7‘的第六实施方式。在此为了避免重复仅讨论和在图1A至1C中所述的第一实施方式之间的区别并参考前述设计。
[0109] 第六实施方式的热电发电机7‘和附属的接触元件4‘，5‘与第一实施方式的热电发电机7和附属的接触元件4，5之间的区别在于，第一接触元件4‘和第二接触元件5‘在其朝向热电偶31‘，32‘和33‘的接触部段41‘，42‘，43‘，51‘，52‘和53‘中分别具有相同的导热性。相应地，第一接触元件4‘和第二接触元件5‘在其接触部段41‘，42‘，43‘，51‘，52‘和53‘内不具有长孔等。也就是说，仅设有长孔45和55，该长孔将接触元件4‘和5‘划分成接触部段41‘，42‘，43‘，51‘，52‘并防止了，通过接触元件4‘和5‘导致在相邻的热电偶31‘，32‘和33‘之间的导热。除了长孔45和55之外，两个接触元件4‘和5‘通过由恒定的材料和强度的合成云母制成的导热薄膜形成。
[0110] 为此，热电偶31‘，32‘和33‘在该实施方式不是结构相同的，而是分别设计为用于不同的温度范围。具体地，沿第一流动方向10最接近于第一流动通道1的入口11布置的第一热电偶31‘在第一流动通道1上700℃与第二流动通道2上200℃的温度差的情况下具有最高效率，而沿第一流动方向10在下游布置的第二热电偶32‘在第一流动通道1上650℃与第二流动通道2上150℃的温度差的情况下具有最高效率。
[0111] 因此在该实施方式中，对不同的温度差的调整通过相应选择热电偶3‘实现，并且通过接触元件4‘和5‘中的长孔45，55防止了，通过接触元件4‘和5‘导致相邻的热电偶3‘之间的热流。同时基于一体地设计接触元件4‘和5‘能容易地安装热电发电机7‘。
[0112] 要强调的是，在前述实施方式中放弃显示出热电偶和附属的电力电子设备的电连接，这是因为它们对于本发明的工作方式的理解不是必需的。由相同的原因在图6中放弃详细说明加载第二流动通道2的冷的空气流的引导。
[0113] 尽管仅示例性说明了本发明的前述实施例，本领域技术人员能够识别出，大量的变型、附加方案和替换方案都是可能的，而不偏离于在权利要求中公开的发明的保护范围和精神。
[0114] 因此根据本发明的热电发电机原则上适合于，将在任意流体中包含的热能转换为电能并因此不限于在内燃机驱动的车辆的排气中包含的热能。
