(57)【要約】本発明は、内燃エンジン（３）の排気ガス（２）から電気エネルギーを生成する装置（１）に関し、排気ガス入口（５）と、排気ガス出口（６）と、熱交換部（７）とを有する発電機（４）を含み、熱交換部（７）は、排気ガス（２）のための複数の流路（８）を含み、流路（８）は、流路（８）から外側へ向く側面（１０）で、冷却装置（１１）に熱伝導的に接続する熱電素子（９）により少なくとも部分的に囲まれる。【選択図】図１
2012512359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジン（３）の排気ガス（２）から電気エネルギーを生成する装置（１）は、排気ガス入口（５）と、排気ガス出口（６）と、排気ガス入口（５）と排気ガス出口（６）との間の熱交換部（７）とを有する発電機（４）を含み、前記熱交換部（７）は、前記排気ガス（２）のための複数の流路（８）を有し、前記流路（８）は、前記流路（８）から外側へ向く側面（１０）で、熱冷却装置（１１）に熱伝導的に接続される熱電素子（９）により少なくとも部分的に囲まれ、異なる型の前記熱電素子（９）は、少なくとも１つの前記流路（８）に少なくとも沿って設けられる、又は少なくとも１つの流れ操作（３０）のための素子を有する少なくとも１つの前記流路（８）に設けられる、装置（１）。
【請求項２】
前記熱電素子（９）は、平均排気ガス温度に関する異なる最大効率を有し、それらの異なる効率に関して、前記流路（８）の第１の部分（１２）又は少なくとも１つの第２の部分（１３）に配置される、請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
少なくとも１つの前記流路（８）は、少なくとも１つのガイドブレード（１５）又は１つの熱伝導構造（１６）を有する請求項１又は２に記載の装置（１）。
【請求項４】
少なくとも１つの前記流路（８）は、前記流路（８）の第１の壁（２１）上の少なくとも１つの構造（１９）又は１つの外形（２０）を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項５】
動圧（２２）の増加に伴って、少なくとも１つの前記流路（８）内の前記排気ガス（２）は、隣接するバイパス流路（２３）へ少なくとも部分的に輸送される、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項６】
バイパス流路（２３）は、前記流路（８）に配置され、開口ベース表面（２５）を有し、前記流路（８）内の前記排気ガス（２）の流れ方向（１４）の反対方向に傾斜し、それを通じて前記排気ガス（２）が流れうる第２の壁（２６）を有するボディ（２４）により形成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項７】
少なくとも１つの酸化触媒コンバータ（２７）は、前記熱交換部（７）の上流に設けられる請求項１から６のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項８】
酸化触媒コンバータ（２７）は、加熱可能である請求項１から７のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項９】
少なくとも１つのＮＯｘアキュムレータ（２８）は、前記熱交換部（７）の下流に設けられる請求項１から８のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１０】
装置（１）によって内燃エンジン（３）の排気ガス（２）から電気エネルギーを生成する方法であって、排気ガス入口（５）と、排気ガス出口（６）と、排気ガス入口（５）と排気ガス出口（６）との間の熱交換部（７）とを有する発電機（４）を含み、前記熱交換部（７）は、前記排気ガス（２）のための複数の流路（８）を有し、前記流路（８）から外側へ向く側面（１０）で、冷却装置（１１）に熱伝導的に接続される熱電素子（９）により少なくとも部分的に囲まれ、前記排気ガス（２）と前記熱電素子（９）との熱伝導接触は、少なくとも前記排気ガス（２）の全体流量又は前記排気ガス（２）の温度（３３）の関数として調節される、方法。
【請求項１１】
前記排気ガス（２）と前記熱電素子（９）との熱伝導接触は、少なくとも前記排気ガス（２）の全体流量又は前記排気ガス（２）の温度（３３）の関数として自己調節手法で調節される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
負荷保護手段（１７）は、前記排気ガス（２）の増加量を、前記排気ガス（２）の動圧（２２）の関数として、自己調節手法での前記流路（８）の第１の壁（２１）からの流れに関して、分離させる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
内燃エンジン（３）を有し、請求項１から９のいずれか一項に記載の前記排気ガス（２）から電気エネルギーを生成する装置（１）を有する、又は請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法により動作可能な自動車（２９）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機により内燃エンジンの排気ガスから電気エネルギーを生成する装置に関する。これは、特に排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーへ変換する発電機、すなわち、いわゆる熱電発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジンからの排気ガスは、熱エネルギーを所有し、この排気ガスは、例えば、バッテリ又は他のエネルギー蓄積装置を充電するために、又は電気消費物に直接的に必要なエネルギーを伝達するために、熱電発電機により電気エネルギーへ変換される。それによって、多量の熱が自動車の動作から得られる。
【０００３】
このような熱電発電機は、通常、複数の熱電変換素子を含む。熱電材料は、熱エネルギーから電気エネルギーへ効率的に変換可能なタイプ（ゼーベック効果）及びその逆のタイプ（ペルチェ効果）である。「ゼーベック効果」は、熱エネルギーが電気エネルギーへ変換される現象に基づいており、熱電エネルギーを生成するために用いられる。「ペルチェ効果」は、ゼーベック効果の逆であり、熱吸収を伴う現象であり、異なる材料を通じた電流の関連で発生する。ペルチェ効果は、例えば、熱電冷却の方法として既に提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような熱電変換素子は、いわゆる「熱い側」と「冷たい側」との間に設置された多数の熱電素子を含むことが好ましい。熱電素子は、例えば、少なくとも２つの半導体ブロック（ｐ型及びｎ型）を含み、半導体ブロックの上側及び下側（それぞれ「熱い側」及び「冷たい側」に面している）は、電気伝導性ブリッジに交互に接続されている。セラミック板又はセラミックコーティング及び／又は同様の材料は、金属ブリッジの絶縁を提供し、よって、金属ブリッジ間に配置されることが好ましい。温度勾配が半導体ブロックの両側に提供されると、電位差が形成される。この場合、熱が、１つの接点（「熱い側」）で吸収され、電子は、一方側から次のブロックの高エネルギー伝導バンドへ通過する。他方側の電子は、ここで、低いエネルギーレベルの他方側（「冷たい側」）へ戻るようにエネルギーを放出しうる。電流は、したがって、所与の温度勾配に対応して発生する。
【０００５】
自動車、特に乗用車での使用に対応した熱電発電機を提供することは既に試みられている。これらは通常、非常に製造費が高いが、相対的には効率が低いという特徴がある。それらは、したがって、量産にまだ適していない。
【０００６】
したがって、本発明は、少なくとも部分的に従来技術に関して取り上げられた課題を解決することを目的とする。特に、入手できる熱エネルギーを電気エネルギーへ変換する際に向上した効率で産出し、かつ、特に自動車の内燃エンジンの排気システムにおいて発生する可変応力にも耐えうる熱電発電機を明示することが試みられる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的は、請求項１の特徴に係る装置により達成される。本発明に係る方法の有利な改良は、従属項で特定される。なお、請求項で個々に特定される特徴は、所望の技術を適切な手法で互いに組み合わせてもよく、本発明のさらなる実施形態を形成してもよい。特に、図面と共に、明細書は、本発明を詳細に表し、さらなる例示的な実施形態を特定する。
【０００８】
本発明に係る内燃エンジンの排気ガスから電気エネルギーを生成する装置は、排気ガス入口と、排気ガス出口と、前記排気ガス入口と前記排気ガス出口との間の熱交換部とを有する発電機を含み、前記熱交換部は、前記排気ガスのための複数の流路を有し、前記流路は、前記流路から外側へ向く側面で、熱冷却装置に熱伝導的に接続される熱電素子により少なくとも部分的に囲まれ、異なる型の熱電素子は、少なくとも１つの流路に少なくとも沿って設けられる、又は少なくとも１つの流れ操作のための素子を有する少なくとも１つの流路に設けられる。後述の特徴を組み合わせて用いた実施形態が好ましい。
【０００９】
前記装置は、特に、いわゆる熱電発電機である。排気ガス入口及び排気ガス出口は、特に排気システム又は排気管の一部として設計されてもよい。しかし、複数の排気ガス入口及び／又は複数の排気ガス出口を設けることも可能である。熱交換部は、発電機の中核を形成する。これは、特に、排気ガスが熱交換ユニットへ熱エネルギーを放出する発電機を通じた、排気ガスの流路の一部に関連する。排気ガスは、発電機を通じた複数のこのような熱交換部の流路を通じて流れることが可能であるが、１つのみの（連続した）熱交換部を通じて排気ガスが流れる変形例が好ましい。
【００１０】
ここで、熱の交換のための可能な限り大きな接触表面を提供するために、排気ガス流は、流路、特に小さなダクトへ分岐される。流路は、例えば、排気ガスが、熱交換部内の通常及び／又は異常な状態で分岐された結果としての直線的な及び／又は非直線的な排気ガスのための通路により形成されてもよく、通常、前記排気ガスの粒子流が、熱交換部内で互いに再度（繰り返し）混合（されうる）されることが可能である。
【００１１】
流路は、互いに明確に（例えば、連続的なダクト壁により）離間していることが好ましい。流路及び／又はダクトでは、特定の例で可能となってもよいが、しかしながら、流路又はダクトに対しては、接続したダクト及び／又は開口を通じて互いに連絡する。流路又はダクトは、２０個以上、例えば、少なくとも５０個又は少なくとも１００個あることが好ましい。非常に拡張され、流路／ダクトの壁により形成される熱交換領域が取得されるので、ダクトは、それによって、排気ガス入口の断面と比べて非常に縮小された開口断面を有する。
【００１２】
熱電素子を有する１又は２つの熱交換ユニット及び冷却装置は、流路に隣接して配置されることが好ましい。ダクトは、熱交換ユニットに連続しうること、つまり、熱伝導接触しうることが好ましい。この場合、熱電素子は、ダクトに沿って配置されることが好ましく、いずれの場合にも、異なる型の複数の熱電素子が、熱交換部における流路の長さにわたって位置していることが特に好ましい。冷却装置は、流路から離れる方向に面する熱電素子の側面上に配置される。ここで、熱電素子は、特に、冷却装置に拘束的（ｃａｐｔｉｖｅｌｙ）に接続される。これは、特に、熱電素子が冷却装置又はいくつかの熱交換ユニットにのみ密着して接続されることをいう。流路への熱伝導接触は、よって、特に、密着した接続なしで、連続した接触を通じてのみ確保される。この明細書で「拘束的（ｃａｐｔｉｖｅｌｙ）」とは、冷却装置に関する熱電素子の相対的な動きが、（分解せずに）装置が動作中に可能でないということを意味することを意図しており、すなわち、熱電素子は、冷却装置に対して、溶接、半田付け、接合、固定、ねじ止め、又はクランプ若しくは他の手法で確実に固定され、熱電素子と冷却装置との間の同時面接触は、熱電素子と冷却装置との間の熱伝導を妨げないことを確実にする。
【００１３】
本装置の好ましい改良において、排気ガス入口及び排気ガス出口は、互いに反対側に配置され、熱交換ユニットは、放射状に配置される。排気ガス入口及び排気ガス出口は、それによって、例えば、直線的な管状排気ラインに組み込まれてもよい。電気エネルギーを生成する排気ガスが、流れの主方向外へ放射状に伝達されるため、熱交換ユニットは、排気ラインの周囲に放射状に配置され、かつ排気ラインに垂直に配置される。流れの主方向で排気ガス出口を通じて再度流出するために、排気ガスは、熱交換部を通過し、その後、一度及び／又は繰り返し伝達される。下流熱交換部において、ダクトの壁との近接接触が達成されるため、特に、この接触構造を与えるだけでなく、この分流は、排気ガスの乱流を増加させ、それによって、熱電素子への良好な熱輸送を確保する。
【００１４】
熱電素子が配置される熱交換ユニット及び冷却装置は、より有利には、平板素子で形成される。冷媒を伝導する冷却ダクトは、よって、２つの重ねられた平板素子間に形成されうる。特に、冷媒の漏れを防ぐために、それによって、冷却装置及び熱交換ユニットは、相対的に安定かつ強固である。しかし、これは、平板素子が、熱電素子の取り付けのための範囲も提供することを意味し、これは、冷却装置から離れる方向に面する平板素子の側面上に形成されることが好ましい。熱電素子は、それによって、例えば、排気ガス流へのダクトもまた配置される平板素子の表面上に配置される。平板素子は、モジュールとして提供されてもよく、組み立てやすい所望の形状で組み立てられてもよい。これは、このような熱電発電機の製造が相対的に費用対効果の高い手法であることを示している。
【００１５】
これに関しては、このような内部冷却装置として設計された平板素子及び隣接する流路の両側に面する熱電素子が特に有利である。内部冷却装置は、圧延、穴あけ、又は冷却ダクトを製造する他の手法により形成され、（好ましくはないが）必要に応じてダクトに他の材料を組み込むことも可能である。しかしながら、排気ガスから生成される熱エネルギーの熱交換ユニット及び熱電素子への最適な輸送を確実にするために、平板素子自体は、高熱伝導材料で形成されることが有利である。また、これらの平板素子は、熱電素子への電線の安定かつ保護された配置のための範囲を提供する。
【００１６】
この明細書では、熱電素子に設けられ、かつ保護層により覆われる金属箔を有する熱電素子を形成することも提案される。ここで、金属箔は、特に冷媒のために、少なくとも２つの金属箔の積層が少なくとも２つの金属箔間でダクトを形成するための構造体を有してもよい。平板素子は、それによって、低熱量を有し、非常に軽い。特に覆われた熱電素子と接触するまで側面の排気ガスを防ぐ保護層は、また、熱電素子と金属箔との間に拘束的（ｃａｐｔｉｖｅ）な接続を提供する。保護層は、コーティング及び／又は分離した構成要素（例えば、さらなる金属箔のような）の形態をとってもよい。
【００１７】
平板素子を積層することにより製造されうる、かつ排気ガスが流れうるダクトは、また、構造化された金属箔により製造されてもよい。ここで、熱電素子に隣接して配置されないダクトもまた設けられうるため、複数の金属箔は、重ねて配置される。
【００１８】
使用される熱電素子は、例えば、次の特性の少なくとも１つに応じた型に関して異なっていてもよい：構造体、材料、大きさ、電気的な接続、接触領域等。流路の長さにわたって異なる型の熱電素子を使用することは、流通する排気ガスの熱エネルギーのより目的とされた、かつより効果的な利用を可能にする。
【００１９】
流れ操作のための少なくとも１つの素子を有する、代替的な又は他の提案された実施形態は、流通する排気ガスから熱電素子への熱の伝導を向上させる機能を有する。この素子は、付加的な構成要素及び／又は流路の壁の一部であってもよい。この手法では、特に、排気ガスと流路の壁との接触に影響を与えることが試みられる（負荷の関数として、及び／又は温度の関数として、及び／又は位置の関数として）。
【００２０】
異なる型の熱電素子とは、特に、異なる効率又は異なる最大効率を有する素子をいう。ここで、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換に関する１つの型の素子の効率は、平均ガス温度に関する少なくとも１つの最大値を有する。前記熱電素子は、それらの異なる効率に関して、流路の１つの第１の部分又は流路の少なくとも１つの第２の部分に配置されることが好ましい。特に、このセクションは、異なる平均排気ガス温度での、発電機を通じた排気ガスの流路の領域について示す。異なる最大効率を有する熱電素子は、したがって、それぞれの最大効率が、流路のそれぞれの部位における排気ガス温度を広げる各条件の平均値に適合されるように、配置されるべきである。したがって、相対的に高い温度の領域における最大効率を有する熱電素子は、排気ガス入口の領域に設けられるべきであり、相対的に低い温度でそれらの最大効率を有する、対応する熱電素子は、排気ガス出口付近に設けられるべきである。これは、入手できる熱エネルギーから電気エネルギーへの向上した変換を可能にする。
【００２１】
排気ガスの流れ方向に直列な熱電素子の配置の他に、前記熱電素子は、流路の平均支配的温度に依存する、対応する配置で構造化されてもよい。これについては、各条件における同一の最大効率を有する熱電素子が配置された少なくとも１つの流路は、少なくとも１つの第１の部分及び少なくとも１つのさらなる第２の部分に分岐される。
【００２２】
本装置のさらに有利な実施形態によれば、少なくとも１つの流路は、ガイドブレード及び／又は熱伝導構造を有する。この目的は、可能な限り多くの量の熱エネルギーを排気ガスから熱電素子へ輸送することである。ガイドブレードは、特に、熱電素子に熱伝導的に直接接続されたダクトの表面に面する壁から離れる流路の領域外へ排気ガスを逸らすために提供されてもよい。ガイドブレードは、特に、流路に突出する表面を有し、この表面は、流路を通じて流通する排気ガスの少なくとも一部分を、熱電素子へ向かって逸らさせるために適切である。前記改良（及び流れに関する以下の記載）は、特に同一の熱電素子で形成される本装置の実施形態に関し、流れ操作のための素子のみが設けられる。ガイドブレード及び／又は熱伝導構造は、したがって、目的とした手法（負荷の関数として、及び／又は温度の関数として、及び／又は位置の関数として）で、排気ガスと流路の壁との接触に影響を与えるために提供される。
【００２３】
熱伝導構造は、特に、少なくとも流路の長さの一部にわたって延び、後部へ突出し、低い流れ抵抗でのみ排気ガスを流す金属熱電構造である。熱伝導構造は、したがって、薄くかつ面積設計であることが好ましく、特に、冷却リブの形態であることが好ましい。前記熱伝導構造は、それによって、排気ガスが流れる流路の断面全体からの熱の吸収が可能となる。熱伝導構造は、排気ガスから熱電素子へ輸送される熱エネルギーが、熱電素子で分散されうるように、高い熱伝導性を有して形成されるべきである。
【００２４】
ここで、熱伝導構造は、特に、「相対的に冷たい」排気ガスの領域では、排気ガスの残存する熱が大きな範囲から排気ガス流へ分散されうるように、流路の下流部分に配置される。「相対的に熱い」排気ガスの領域に配置された熱電素子の過熱、すなわち、発電機の排気ガス入口の直接的な下流は、よって、同時に防がれる。排気ガスのピーク温度は、具体的にはこのように生じる；内燃エンジンの特定の動作点において、前記ピーク温度は、熱電素子への損傷が可能なほど高くてもよい。熱い排気ガスから熱電素子へ付加的な分散は、したがって、損傷の可能性を増加させる。さらなる下流の部位において、排気ガスは、温度ピークの結果としての損傷が確実に回避しうるこのような範囲に対して、既に冷却される。
【００２５】
特に、排気ガスを少なくとも部分的に逸らすガイドブレードの機能と、大きな接触表面及び良好な熱伝導特性により排気ガスから熱電素子への熱を分散する熱伝導構造の機能とを１つの構造に組み合わせる構造が提供されるべきである。
【００２６】
本装置のさらに有利な実施形態によれば、少なくとも１つの流路は、流路の第１の壁上の構造及び／又は外形（ｐｒｏｆｉｌｉｎｇｓ）を有する。外形（ｐｒｏｆｉｌｉｎｇｓ）又は構造は、特に、流路内の排気ガスの層状境界流を防ぐ又は低減することを意図しており、第１に、このように発生した乱流の結果として、壁から離れた排気ガスは、第１の壁から供給され、したがって、より高い割合の熱エネルギーは、排気ガスの外へ分散されうる。また、構造又は外形（ｐｒｏｆｉｌｉｎｇｓ）により、流路内の排気ガスの動圧は、このように発生した渦、及び流路内の排気ガスの強制的な長い滞留時間の結果として増加されるべきであり、排気ガスから熱電素子への向上した輸送が達成される。ここで、第１の壁は、流路／ダクト自体が熱電素子と直接的に熱伝導接続する流路／ダクトの表面を示す。構造は、特に、切り込みにより流路の壁に形成され、かつ流路へ突出する表面を示す。一方、外形（ｐｒｏｆｉｌｉｎｇｓ）は、例えば、ピンプル（ｐｉｍｐｌｅｓ）、ノル（ｋｎｏｌｌｓ）、エレベーション（ｅｌｅｖａｔｉｏｎｓ）、キンク（ｋｉｎｋｓ）、波（ｗａｖｅｓ）のような流路の壁の閉じた表面領域により形成される流路の表面を示す。
【００２７】
ここで、構造及び外形（ｐｒｏｆｉｌｉｎｇｓ）は、特に、流路の下流部に配置され、排気ガスの残存する熱は、乱流の発生及び層状境界流の防止の結果として、「相対的に冷たい」排気ガスの領域において、より広い範囲から排気ガス流へ分散されうる「相対的に熱い」排気ガスの領域に配置される熱電素子の過熱、すなわち、発電機の排気ガスの直接的な下流は、よって、同時に防がれる。
【００２８】
本装置の特に有利な実施形態によれば、動圧の増加に伴って、前記少なくとも１つの流路内の前記排気ガスは、隣接するバイパス流路へ少なくとも部分的に移動される。
【００２９】
このように、過剰に高い排気ガス温度の結果としての熱電素子の過熱が回避されることが達成される。ここで、圧力及び／又は上記の詳細の予め設定可能な圧力の増加に伴って、１つの流路に存在する排気ガスの少なくとも一部分は、隣接する、好ましくは流路と実質的に平行な増加する範囲へ輸送され、排気ガスの少なくとも一部分は、特に、熱電素子と直接的に接触しない。それによって、熱電素子の最大効率に対応する排気ガス温度が、熱電素子に隣接する流路において、広がることが達成される。隣接するバイパス流は、特に、熱電素子に熱伝導的に直接接触する流路からの第２の壁により分離される。前記第２の壁は、したがって、熱電素子に熱伝導的に直接接触しない。第２の壁は、特に、流路の外の排気ガスをバイパス流路へ輸送できるように、少なくとも部分的に開口が設けられる。
【００３０】
上述したように、本発明は、また、その結果として、内燃エンジンの排気ガスから電気エネルギーを生成する装置は、排気ガス入口と、排気ガス出口と、排気ガス入口と排気ガス出口との間の熱交換部とを有する発電機を含み、前記熱交換部は、排気ガスのための複数の流路を有し、前記流路は、前記流路から外側へ向く側面で、熱冷却装置に熱伝導的に接続される熱電素子により少なくとも部分的に囲まれ、前記装置には、少なくとも１つのバイパス流路が設けられ、動圧の増加に伴い、少なくとも１つの流路内の排気ガスは、隣接するバイパス流路へ少なくとも部分的に輸送される。従来技術に関する向上がまたこの手法とは別に達成されるため、このコンセプトは、また、独立して追及されてもよい。前記コンセプトの改善は、次の説明（特に、次の２つの段落及び自己調節負荷保護方法の説明）から推測されてもよい。
【００３１】
特に有利な実施形態において、前記バイパス流路は、ボディにより形成され、前記ボディは、前記流路に配置され、開口ベース表面を有し、前記流路内の前記排気ガスの流れ方向の反対方向に傾斜し、それを介して前記排気ガスが流れうる第２の壁を有する。ボディは、特に、円錐状又は樽状で設計されてもよい。ここで、ボディは、特に、壁又は流路と同一の材料から形成され、後にワンピースが可能なら、すなわち、積極的にロックする又は積極的ではなくロックする。ボディを形成する第２の壁は、よって、特に、熱電素子と熱伝導接触しない、すなわち、少なくとも主要部は第１の壁と接触せず、流路内に配置される。
【００３２】
また、ボディの第２の壁は、ガス透過性となるように設計され、流路からの排気ガスは、ボディに入ることができ、その後、排気ガス出口へ流れる。排気ガスの動圧に伴って、排気ガスの過去の増加量は、ここで、第２の壁内の第１の開口を通じて既にボディへ侵入し、したがって、熱電素子と接触する流路の第１の壁へ熱が分散されない（又は少量の熱のみが分散される）。ここで、開口が流路の全長にわたって好ましく延び、かつ流路の第１の部分から既に排気ガスがバイパス流路又はボディへ侵入し、かつ特にガス排気入口の領域において配置される熱電素子の過熱が回避されるように、ボディ及び／又はバイパス流路は、設けられるべきである。
【００３３】
また、熱交換部の少なくとも１つの部分のために付加的な冷却が設けられてもよい。これは、例えば、第２の冷却巡回が必要に応じて起動してもよいことを意味する。付加的な冷却手段は、これらがペルチェ素子として動作するように、熱電素子の逆であることが特に好ましい。前記熱電素子は、したがって、その後、万が一、熱電発電機を通じて過剰な熱い排気ガスが流れた場合には、熱交換部及び／又は熱電素子自体を冷却しうる。
【００３４】
１つの改良において、流れに関しては、少なくとも１つの酸化触媒コンバータは、熱交換部の上流に設けられるここで、熱交換部へ逸らされた排気ガスは、先ず触媒コンバータ部にわたって流れ、次に熱交換部へ達することが特に好ましい。排気ガスは、触媒コンバータ及び熱交換部を通じて反対方向へ流れることが特に好ましい。放射状のハニカム構造は、触媒コンバータ部に設けられることが好ましい。触媒コンバータ部のハニカム構造は、ウォッシュコート（ｗａｓｈｃｏａｔ）及び酸化触媒（好ましくは白金）でコーティングされる。触媒コンバータ部において、排気ガスの成分を触媒変換した結果、排気ガス中の熱エネルギーを増加する発熱反応が開始される。ここで前記「予め加熱された（ｐｒｅｈｅａｔｅｄ）」排気ガスは、その後、より大きな量の熱電エネルギーを発生するように提供される。触媒コンバータ部は、可能な場合、異なるコーティング及び／又は触媒で形成されてもよい。それによって、目的とした手法での温度増加を調節するために、触媒コンバータ部は、接触領域及び／又は供給された排気ガスに関して可変に設計されることも可能である。特に、ダクトの少なくとも部分的な領域及び排気ガスが流れる発電機のさらなる領域の壁、及び熱交換部のダクトの少なくとも部分的な領域は、ウォッシュコート（ｗａｓｈｃｏａｔ）及び酸化触媒でコーティングされることが可能である。ここで、このような手法で流路から熱伝素子への熱伝導が低下しうるため、第１の壁、すなわち、熱電素子に直接的に隣接するダクトの領域は、このようなコーティングが形成されないことが好ましい。
【００３５】
さらに有利な実施形態において、酸化触媒コンバータは、加熱可能である。このように、酸化触媒コンバータは、その着火温度に特に迅速に達し、したがって、排気ガスの触媒変換が開始する。排気ガスの温度、及び発電機の効率もまた、したがって、より迅速に増加する。
【００３６】
さらなる改良において、少なくとも１つのＮＯｘアキュムレータは、熱交換部の下流に設けられる。このような配置は、特に、排気ガスからの多量の熱の分散の結果、低い排気ガス温度のみが本装置の下流に広がるため、有利である。前記温度は、特に、長期間ＮＯｘアキュムレータの脱離温度より下に位置しており、窒素酸化物は、排気ガスから確実に除去されうる、かつ例えばＳＣＲコンポーネントのような排気ガスシステム内で変換されうる。
【００３７】
上述した目的は、また、内燃エンジンの排気ガスから電気エネルギーを生成する方法であって、排気ガス入口と、排気ガス出口と、排気ガス入口と排気ガス出口との間の熱交換部とを有する発電機を含み、前記熱交換部は、排気ガスのための複数の流路を有し、前記流路から外側へ向く側面で、冷却装置に熱伝導的に接続される熱電素子により少なくとも部分的に囲まれ、前記排気ガスと前記熱電素子との熱伝導接触は、少なくとも前記排気ガスの全体流量又は前記排気ガスの温度の関数として調節される、方法により達成される。
【００３８】
本方法の特に有利な実施形態において、排気ガスと熱電素子との熱伝導接触は、少なくとも排気ガスの全体流量又は排気ガスの温度の関数として、自己調節手法で調節される。
【００３９】
熱伝導接触の調節は、特に全ての流路に設けられ、第１の壁を通じて熱伝導手法で熱電素子に直接接続される負荷保護手段により、特に実現される。前記自己調節負荷保護は、特に、隣接し、かつ特に流路に実質的に平行に配置され、特に流路内に設けられるバイパス流路により実現される。ここで、各条件における排気ガス入口を通じて本装置に侵入した残存する排気ガス流の非常に少量のみが、負荷保護された少なくとも１つの流路を通じて流れる。特に、前記流路は、前記流路を通じて流れる排気ガス入口を通じて本装置へ流入する排気ガス流の最大５体積％のみ、好ましくは最大１体積％のみ、特に好ましくは最大０．１体積％のみとなるように設計される。
【００４０】
さらに有利な実施形態において、本方法は、排気ガスの増加量を、前記排気ガスの前記動圧の関数として、自己調節手法での流路の第１の壁からの流れに関して、分離させる自己調節負荷保護手段を有する。ここで、自己調節負荷保護手段は、動圧の増加に伴い、連続した排気ガスの増加量が、流路の第１の壁との接触をさせず、むしろ特に熱電素子と直接的に熱伝導接続しない隣接したバイパス流路へ侵入するように設計される。
【００４１】
さらなる実施形態において、自己調節負荷保護手段は、排気ガスの増加量が、特定の動圧レベル以上でのみ流路の第１の壁からの流れに関して、分離するように設計される。
【００４２】
過負荷保護の方法は、具体的には、独立したコンセプトにおいて上述したようなバイパス流路を有する装置において用いられる。
【００４３】
本発明は、特に自動車に用いられ、特に内燃エンジンを有する乗用車に用いられる。
【００４４】
本発明及び技術分野は、下記の概念図を基にしてさらに詳細に説明される。なお、図面は、本発明の特に好ましい変形例を示すが、本発明はこれに制限されない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、自動車における装置の統合を示す概念的に示す図である。
【図２】図２は、熱交換ユニットの詳細を示す図である。
【図３】図３は、熱変換部を構成する金属箔の例を示す図である。
【図４】図４は、斜視図における熱交換ユニットの可能な構成を示す図である。
【図５】図５は、熱電素子を有する冷却装置の上部を通じた部分断面を示す図である。
【図６】図６は、本発明の１つの改良に係る側面図における流路を通じた断面を示す図である。
【図７】図７は、バイパス流路を有する側面図における流路を通じた断面を示す図である。
【図８】図８は、バイパス流路のさらなる改良を有する側面図における流路を通じた断面を示す図である。
【図９】図９は、流路及びバイパスを通じた排気ガス流のグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図１は、前述の型の装置１の好ましい使用を概念的に示す。ここでは内燃エンジン３を有する自動車２９が示される。排気ガス２は、例えば、オットーエンジン又はディーゼルエンジン等の内燃エンジン３内で生成され、排気ガス浄化要素２７，２８へ流通する。
【００４７】
本発明に係る装置１は、有利にも、内燃エンジン３又は対応する排気ガス浄化システムの下流に直接的に配置される。前記装置は、また、排気ガス再循環システムの一部分として設けられてもよく、有利には排気ガス冷却装置でも使用されうる。
【００４８】
有利な実施形態によれば、酸化触媒コンバータ２７は、装置１の上流に接続され、酸化触媒コンバータ２７は、また、装置１内に少なくとも部分的に統合されてもよい。ＮＯｘアキュムレータ２８は、有利にも装置１の下流に接続され、ＮＯｘアキュムレータ２８は、同様に、装置１に少なくとも部分的に集積されてもよい。装置１は、排気ガス２が装置１へ流れ込む排気ガス入口５を有する。装置１の発電機４は、特に流路８間に設けられる熱電素子９及び少なくとも１つの冷却装置１１を有する複数の熱交換ユニット４４から構成される熱交換部７によりここに形成されて、排気ガス２の熱エネルギーが、流路８の表面３１を通じて、熱い排気ガス２及び冷却装置１１間の温度差の結果として電流が生成される熱電素子９へ伝導しうる。流路８内の好ましい配置は、まず排気ガス２に乱流形成させて、排気ガス２から流路８の表面３１への熱輸送が向上するような構造１９である。排気ガス２は、排気ガス出口６を通じて発電機４から排出される。
【００４９】
図２は、熱交換ユニット４４の構成を概念的に示している。熱交換ユニット４４は、熱い排気ガス２が流れる流路８を通じて、流路８の両側に隣接して配置される。熱交換ユニット４４は、内部冷却装置１１を含み、いずれの側にも少なくとも１つの熱電素子９が冷却装置１１と流路８との間に設けられる。説明のために図２の上部に付加的なグラフは、流路８又は少なくとも１つの熱電素子９の長さ３２にわたる排気ガス温度３３を示す図である。流路８の反対に位置する熱電素子９の側面１０上の温度は、冷却装置１１のために、非常に低い。これは、いわゆるゼーベック効果を導き、電流が熱電素子９から引き抜かれ、電流がバッテリ３４へ供給される。ここで、特に熱電素子９又は半導体素子と排気ガス２との直接接触を防ぐために、保護層４３が設けられる。
【００５０】
また、少なくとも１つの流路８では、複数の異なる型の熱電素子９が流れ方向に直列に配置され、熱電素子９が各平均支配的排気ガス温度３３でのそれらの効率に関して選択されるように設けられる。ここで、高い平均排気ガス温度の領域（図２の画像の右側）では、熱電素子９は、高い排気ガス温度３３で高い効率を有して設けられる。流路８の左手側が示すものは、低い排気ガス温度３３での高い効率に対応する熱電素子９である。したがって、できるだけ多くの電流量が排気ガス２の熱エネルギーから得られうる。
【００５１】
図３は、熱交換部７を構成する金属箔３５の一例を示す図である。熱交換部７は、よって、重ねて積層される金属箔３５から形成され、したがって、放射状のハニカムボディを形成し、流路８が内側から外側へ流れ、したがって、排気ガス２が内側から外側へ、又は外側から内側へ流れうる。金属箔３５は、ここで、特に排気ガス２への流路８、及び／又は冷却装置１１へのダクトを区切るために用いられてもよい。前記金属箔３５は、少なくとも部分的に構造化された表面３１を有し、交互に上昇部及び下降部を有し、半径４５の方向に伸びるダクトが形成される。ダクトは、また、螺旋状に伸びて、上昇部及び下降部が半径４５の方向に交互に形成される。このような複数の金属箔３５が重ねて積層された場合、流路８及び／又は冷却装置１１は、複数の金属箔３５間に形成されうる。
【００５２】
図４は、プレート素子３６の形状の熱交換ユニット４４の可能な構成を概念的に示す斜視図である。前記プレート素子３６は、図４の上部に図示される上部ディスク３７を含む。ここに設けられるのは、例えば、熱電素子９の放射状配置であり、特にダクト８の配置と同様である。また、熱交換ユニット４４は、冷却装置１１が形成される中央ディスク３７を有する。この目的のために、冷却装置１１への冷却流は、円周方向に循環し、その後、再度流出する。冷媒の他の流れ方向及び／又は流れ分布が可能であることがまた、理解される。ディスク３７が示される下側に位置するので、中央ディスク３７下の配置されるものは、ここで単に破線で示される熱電素子９を順に有するさらなるディスク３７である。
【００５３】
図５は、熱電素子９を有する冷却装置１１の上部を通じた部分断面を示す。なお、完全性のために、電気的に並列及び／又は直列に接続される複数の熱電素子９は、（通常）冷却装置１１に設けられる。熱電素子９は、ここで、冷却装置１１の保護層４３とディスク３７との間に密閉して配置され、かつ、ディスク３７と密着して接続される。熱電素子９は、異なる半導体ブロック（ｐ型半導体ブロック４０及びｎ型半導体ブロック３９）の複数の対になった配置を含み、異なる半導体ブロックの上側及び下側は、金属の電気伝導性ブリッジ４１に交互に接続される。ブリッジ４１を通じて直流電流を確保するために、ブロック４１は、セラミック板３８に搭載される。熱い排気ガス２が、その後、保護層４３を流れると、この側面が熱くなり、一方で、その反対側面が冷媒により冷却される。熱エネルギーは、ここで、ゼーベック効果により電気エネルギーへ効率的に変換されうる。
【００５４】
図６は、熱交換ユニット４４を有する流路８の詳細な側面を概念的に示す図である。ここで、熱い排気ガス２は、流路８へ流れ込み、現在の層状境界流は、特に第１の壁２１上の外形（ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ）２０により分散される。外形２０は、熱電素子９に直接熱伝導接続する。また、ガイドブレード１５は、また、同様に排気ガス流において乱流を発生し、それによって、排気ガス２から第１の壁２１への熱輸送を向上させるために設けられる。また、特に第１の壁２１の上には、付加的な熱容量を有し、第１に、排気ガス２から可能な限り多量の熱エネルギーを除去し、かつ第１の壁２１への熱エネルギーを分散し、第２に、連続的かつわずかな時間遅延で、排気ガス２から現存する熱エネルギーを蓄積し、かつ第１の壁２１への熱エネルギーを分散する熱伝導構造１６が設けられる。流路８に沿って設けられるものは、平板素子３６内に異なる型の熱伝導素子９が設けられる、第１の部分１２及び少なくとも第２の部分１３である。ここで、同一の型の複数の熱伝導素子９は、直列に配置されてもよい。
【００５５】
図７は、熱交換ユニット４４及び特に熱電素子９が排気ガス２の非常に高い温度から保護される、バイパス流路２３又は負荷保護手段１７を有する流路８の側面を概念的に示す図である。排気ガス２は、流路８へ流れ込み、ここで動圧２２の増加に伴い、排気ガス２の増加量は、金属箔３５により形成される第２の壁２６を通じて、隣接するフローダクトへ移動される。ここで、流路８は、また、流路８の範囲（図示せず）にわたって円錐形状、すなわち、特に排気ガスの流れ方向に狭くなるように形成されてもよい。このように、排気ガス２の動圧２２の増加に伴って、排気ガス２の増加量が、第２の壁２６に設けられた多孔を通じて、隣接する負荷保護手段１７又はバイパス流路２３へ移動することが特に達成される。特に、バイパス流路２３は、複数の流路８間に配置され、第２の壁２６を通じて、排気ガス２は、複数の流路８からバイパス流路２３へ流れうる。バイパス流路２３は、したがって、特に異なる断面を有してもよく、特に流路８よりも大きな断面を有してもよい。
【００５６】
図８は、流路８内に設けられる、負荷保護手段１７又はバイパス流路２３のさらに有利な実施形態を概念的に示す図である。ここで、特に流路８内の排気ガスの流れ方向の反対方向に傾斜するボディ２４が流路８内に設けられる。図８の上部において、ボディ２４は、円錐形状で図示される。図８の下部において、ボディ２４は、第１の壁２１から生じる排気ガス２の流れ方向１４の反対方向に延びる斜面により形成される。ボディ２４は、排気ガス２が流れうるように貫通した設計の第２の壁２６により形成される。ボディ２４のベース表面２５は、開口するように形成され、排気ガス２がベース表面２５を通じて、流路８の外へ流出する。動圧２２の増加に伴って、流路８内の排気ガス２は、ボディ２４、特に第２の壁２６全体にわたって流入し、低い動圧２２では、排気ガス２は、第２の壁２６に沿って流路８の端部へ流れ、かつ排気ガス２の熱エネルギーは、特に流路８の第１の壁２１及び熱電素子９を通じて、冷却装置１１へ分散される。高い動圧２２では、排気ガス２は、よって、第２の壁２６を通じて、バイパス流路２３、特に流路８の第１の部分１２へ既に流入し、それによって、第１の壁２１へは接触しない。低い動圧２２では、排気ガス２は、先ず、特に流路８の第２の部分１３における第２の壁２６の相対的に大きな開口４６を通じて、バイパス流路２３にわたって流入し、流路８の全長にわたって、排気ガス２の大部分は、第１の壁２１と接触する。
【００５７】
図９は、それぞれ、排気ガスが、先ず流路／ダクト８を通じて流れ、次にバイパス流路２３又は負荷保護手段１７を通じて流れることを示す図である。ここで、排気ガス入口５を通じて装置１に流入する排気ガス２の量は、増加する動圧２２の関数として、好ましくは流路８を通じて主排気ガス流４６として流れるものであり、かつ第２の壁２６及びその後、例えばバイパス排気ガス流４８としての負荷保護手段１７又はバイパス流路２３を部分的に通過したもののみである。
【００５８】
流路８内のバイパス流路２３の実施形態において、例えば、図８に対応するボディ２４の提供の結果、ここでもまた、図８の座標４９は、動圧２２の増加に伴い、排気ガス２の増加量が既に座標４９において第２の壁２６を流れ、排気ガス流４８としては、第１の壁２１に直接接触しないことを示す。
【００５９】
本発明は、従来技術の大きな改良の結果として少なくとも３つの態様を含む：
１．排気ガスから熱電素子への目的とした熱輸送を調整するための流れ操作のためのコンセプト、
２．負荷保護手段としてのバイパスを実現する（自己調節する）ためのコンセプト、及び
３．（多様な）流れ状況のための熱電素子を目的とした設計のためのコンセプト。
前記コンセプトは、ここで、一部分が互いに一体として説明されたが、共同する利点、分離した理解もまた、熱電発電機の既知の設計に対して非常に大きな改良を提供してもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１  装置
２  排気ガス
３  内燃エンジン
４  発電機
５  排気ガス入口
６  排気ガス出口
７  熱交換部
８  流路／ダクト
９  熱電素子
１０  側面
１１  冷却装置
１２  第１の部分
１３  第２の部分
１４  流れ方向
１５  ガイドブレード
１６  熱伝導構造
１７  負荷保護部
１８  境界流
１９  構造
２０  外形
２１  第１の壁
２２  動圧
２３  バイパス流路
２４  ボディ
２５  ベース表面
２６  第２の壁
２７  酸化触媒コンバータ
２８  ＮＯｘアキュムレータ
２９  自動車
３０  流れ操作のための素子
３１  表面
３２  長さ
３３  温度
３４  蓄電池
３５  金属箔
３６  平板素子
３７  ディスク
３８  セラミック板
３９  ｎ型半導体ブロック
４０  ｐ型半導体ブロック
４１  ブリッジ
４２  電流路
４３  保護層
４４  熱交換ユニット
４５  半径
４６  開口
４７  主排気ガス流
４８  バイパス排気ガス流
４９  座標
【図１】
2012512359.tif 000003
【図２】
2012512359.tif 000004
【図３】
2012512359.tif 000005
【図４】
2012512359.tif 000006
【図５】
2012512359.tif 000007
【図６】
2012512359.tif 000008
【図７】
2012512359.tif 000009
【図８】
2012512359.tif 000010
【図９】
2012512359.tif 000011
【国際調査報告】
2012512359.tif 000012
2012512359.tif 000013
2012512359.tif 000014
2012512359.tif 000015