МОДУЛЬ ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКМЙ ГЕНЕРАТОР
THERMOELECTRIC GENERATOR MODULE AND THERMOELECTRIC GENERATOR

Настоящее изобретение относится к модулю для термоэлектрического генератора, предназначенного для выработки электрической энергии на основании разности температур текучей среды, представляющей собой прежде всего отработавшие газы (ОГ), образующиеся при работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на автомобиле, и охлаждающей среды.
ОГ, образующиеся при работе ДВС на автомобиле, обладают тепловой энергией, которую требуется преобразовывать с помощью термоэлектрического генератора в электроэнергию, например, для зарядки аккумуляторной батареи либо иного аккумулятора энергии и/или для непосредственного подвода необходимой электроэнергии ее потребителям. Таким путем удается увеличить количество электроэнергии, необходимой для обеспечения работы автомобиля.
Подобный термоэлектрический генератор имеет обычно множество термоэлектрических преобразовательных элементов, которые при определенных условиях могут быть выполнены по типу модулей. К термоэлектрическим относятся материалы, которые способны эффективно преобразовывать тепловую энергию в электрическую (эффект Зеебека) и наоборот (эффект Пельтье). Эффект Зеебека основан на явлении преобразования тепловой энергии в электрическую и используется для выработки термоэлектрический энергии. Эффект Пельтье является обратным по отношению к эффекту Зеебека и представляет собой явление, основанное на поглощении теплоты и обусловленное прохождением тока через различные материалы. Эффект Пельтье уже было предложено использовать, например, для термоэлектрического охлаждения.
Подобные термоэлектрические преобразовательные элементы преимущественно имеют множество термоэлектрических элементов, расположенных между так называемой "теплой стороной" и так называемой "холодной стороной". Термоэлектрические элементы имеют, например, по меньшей мере два полупроводниковых параллелепипеда (легированных примесями p- и n-типа), которые попеременно со своих верхней и нижней сторон (с "горячей (теплой) стороны", соответственно с "холодной стороны") соединены электропроводными перемычками. Для изоляции металлических перемычек используются керамические пластинки, соответственно керамические покрытия и/или аналогичные материалы, которые тем самым преимущественно расположены между металлическими перемычками. При создании перепада температуры между обеими сторонами полупроводниковых параллелепипедов возникает разность электрических потенциалов. В одном месте контакта при этом поглощается теплота ("теплая сторона"), а электроны на одной из сторон при этом переходят в расположенную на энергетически более высоком уровне зону проводимости следующего полупроводникового параллелепипеда. С другой стороны, электроны могут отдавать энергию для возврата обратно на другую сторону с более низким уровнем энергии ("холодная сторона"). Таким путем при соответствующем перепаде температуры может обеспечиваться протекание электрического тока.
Ранее уже предпринимались попытки по разработке соответствующих термоэлектрических генераторов для применения прежде всего на автомобилях. Однако такие генераторы по большей части оказывались очень дорогими в изготовлении и имели сравнительно большие габаритные размеры. По этим причинам еще не удалось достичь пригодности подобных генераторов к серийному производству.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача по меньше мере частично решить рассмотренные выше в описании уровня техники проблемы. Задача изобретения состояла прежде всего в разработке таких модуля, электрического проводника и термоэлектрического генератора, которые по отдельности или в совокупности образуют термоэлектрический генератор, который по своим габаритным размерам был бы согласован с другими деталями и узлами прежде всего автомобиля настолько, чтобы он допускал возможность его разностороннего или универсального применения на автомобилях. Помимо этого такие компоненты должны допускать возможность их интеграции в автомобили уже существующих типов и моделей без необходимости внесения обширных изменений в их конструкцию и прежде всего возможность замены на них уже существующих компонентов. Помимо этого задача изобретения состояла также в решении существующих проблем по обеспечению надежного разделения текучей среды и охлаждающей среды во избежание попадания одной из них в другую в подобном термоэлектрическом генераторе и в обеспечении надежного электрического контактирования для обеспечения тем самым возможности простого, надежного и длительного применения термоэлектрического генератора с малой теряемой мощностью. Еще одна задача изобретения состояла также в разработке соответствующего способа изготовления преобразовательных элементов, соответственно термоэлектрического генератора.
Указанные задачи решаются с помощью электрического проводника, заявленного в п.1 формулы изобретения, с помощью термоэлектрического генератора, заявленного в п.2 формулы изобретения, а также с помощью способа, заявленного в п.8 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты выполнения предлагаемых в изобретении устройств представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Необходимо отметить, что представленные по отдельности в пунктах формулы изобретения его отличительные особенности могут использоваться в любом технически целесообразном сочетании друг с другом и могут образовывать другие варианты осуществления изобретения. Изобретение более подробно рассмотрено в последующем описании, прежде всего во взаимосвязи с прилагаемыми к нему чертежами, в котором представлены также другие варианты осуществления изобретения.
Предлагаемый в изобретении модуль для термоэлектрического генератора имеет первый конец и второй конец. Такой модуль имеет далее по меньшей мере одну внутреннюю трубку и по меньшей мере одну охватывающую ее снаружи наружную трубку, а также по меньшей мере один термоэлектрический элемент, который расположен между внутренней трубкой и наружной трубкой, каждая из которых электрически изолирована от по меньшей мере одного термоэлектрического элемента. Помимо этого на первом конце и на втором конце модуля предусмотрено по минимум одному электропроводному первому контакту, предназначенному для электрического соединения по меньшей мере одного термоэлектрического элемента с электрическим проводником. Модуль выполнен, кроме того, проточным для текучей среды или охлаждающей среды от своего первого конца до своего второго конца.
Предлагаемый в изобретении модуль в данном случае выполнен прежде всего продолговатым или трубчатым и образует внутри себя проточное для текучей среды или охлаждающей среды сечение. Вокруг такого образованного внутренней трубкой проточного канала расположены термоэлектрические элементы, которые, в свою очередь, могут через наружную трубку теплотехнически контактировать с обтекающей ее охлаждающей средой или текучей средой. Внутренняя трубка и наружная трубка при этом в предпочтительном варианте выполнены из металла и имеют прежде всего в основном однотипное поперечное сечение, например, круглой или многоугольной формы. Предлагаемый в изобретении модуль в предпочтительном варианте имеет длину от по меньшей мере 15 до 40 см, а внутренний диаметр его внутренней трубки составляет прежде всего от 2 до 15 мм. Наружная трубка, охватывающая внутреннюю трубку, имеет минимально возможный наружный диаметр, благодаря чему для размещения модуля в целом требуется лишь малое монтажное пространство.
По меньшей мере один термоэлектрический элемент расположен между внутренней и наружной трубками модуля таким образом, что при пропускании через него охлаждающей среды и имеющей большую температуру текучей среды между наружной и внутренней трубками создается разность температур, в результате чего термоэлектрический элемент вырабатывает электрический ток. Вырабатываемое таким путем количество электричества прежде всего зависит от типа термоэлектрического элемента, т.е. прежде всего от его коэффициента полезного действия при данной температуре, а также от температур, преобладающих с горячей и холодной сторон модуля. Между обеими трубками обычно размещают несколько или даже множество термоэлектрических элементов.
Помимо этого термоэлектрический элемент электрически соединен с первыми контактами, предусмотренными на первом и втором концах модуля. Благодаря этому возможно прохождение электрического тока от каждого из термоэлектрических элементов к создающим напряжение потенциалам вне модуля. Вырабатываемую таким путем электрическую энергию можно тем самым подводить к аккумуляторной батарее или к ее потребителю.
Модуль выполнен проточным для проходящей через его внутреннюю трубку текучей среды или охлаждающей среды. Снаружи наружную трубку модуля при его применении в термоэлектрическом генераторе обтекает текучая среда или охлаждающая среда, в результате чего на участке между наружной трубкой и внутренней трубкой, включая термоэлектрический элемент, создается тепловой потенциал.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении модуля электропроводные первые контакты образуют уплотнение между его наружной трубкой и внутренней трубкой. Сказанное означает, в частности, что электропроводные первые контакты в тех местах, где они расположены между внутренней трубкой и наружной трубкой модуля, образуют уплотнение, не проницаемое для текучей среды и/или охлаждающей среды, которые/которая поэтому не могут/может проникать в пространство между внутренней трубкой и наружной трубкой. Таким путем надежно исключается коррозия термоэлектрических элементов или их закорачивание. Даже несмотря на предпочтительное образование уплотнения только электропроводными первыми контактами может потребоваться наряду с ними предусматривать и другие средства для уплотнения первого конца и/или второго конца модуля (герметик, заглушки и иные уплотнительные средства).
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении модуля в наружной трубке предусмотрен по меньшей мере один компенсационный элемент для компенсации различий в величинах расширения внутренней трубки и наружной трубки друг относительно друга. Под компенсационным элементом в данном случае прежде всего подразумевается средство для компенсации различий в величинах (зависящего от материала и температуры) удлинения внутренней трубки и наружной трубки друг относительно друга при наличии значительной разности температур между ними. В качестве компенсационного элемента наружная трубка имеет при этом прежде всего своего рода сильфон, складки которого выступают наружу от боковой поверхности наружной трубки. При этом такой компенсационный элемент прежде всего кольцом охватывает модуль по его окружному периметру и тем самым подразделяет модуль на отдельные осевые участки. Компенсационный элемент особенно предпочтительно при этом изготавливать из материала того же типа, из которого изготовлена наружная трубка модуля. В качестве материала для изготовления наружной трубки и/или внутренней трубки пригодны прежде всего сплавы металлов, например (высоколегированная) хромоникелевая сталь, такая как сталь марок WN 1.4301, WN 1.4828 и WN 1.4607 (обозначение согласно прежде всего стандарту DIN EN-10027-2), a также алюминиевые сплавы или сплавы с медью. Сталь марки (WN) 1.4828 содержит углерод в количестве максимум 0,2 мас.%, кремний в количестве от 1,5 до 2,5 мас.%, марганец в количестве максимум 2 мас.%, фосфор в количестве максимум 0,045 мас.%, серу в количестве максимум 0,03 мас.%, хром в количестве от 19 до 21 мас.% и никель в количестве от 11 до 13 мас.%. Сталь марки 1.4301 содержит углерод в количестве максимум 0,07 мас.%, кремний в количестве максимум 1 мас.%, марганец в количестве максимум 2 мас.%, фосфор в количестве максимум 0,045 мас.%, хром в количестве от 17 до 19,5 мас.%, никель в количестве от 8 до 10,5 мас.% и азот в количестве максимум 0,11 мас.%. Для изготовления наружной и внутренней трубок прежде всего можно также использовать разные материалы, и в этом случае можно соответствующим образом рассчитывать параметры модуля с учетом контакта внутренней и наружной трубок либо с горячей текучей средой, либо с имеющей меньшую температуру охлаждающей средой, а также с учетом, например, различий в характеристиках теплового расширения применяемых материалов.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении модуля количество компенсационных элементов по длине модуля выбирается в зависимости от коэффициентов теплового расширения материала наружной трубки и/или материала внутренней трубки и/или в зависимости от разности температур (при работе) между наружной трубкой и внутренней трубкой. Чем выше разность температур и/или чем выше коэффициенты теплового расширения (или чем больше различие между ними), тем большее количество компенсационных элементов следует предусматривать по длине модуля.
У предлагаемого в изобретении модуля компенсационный элемент прежде всего расположен на расстоянии в пределах от 2 до 10 см от первого конца и/или от второго конца и/или от другого компенсационного элемента. У предлагаемого в изобретении модуля предпочтительно предусматривать по круговому компенсационному элементу с интервалами в 3-5 см начиная от одного конца модуля до другого его конца.
Для решения указанных в начале описания задач в изобретении предлагается также электрический проводник, который предназначен для электрического соединения по меньшей мере одного модуля, прежде всего предлагаемого в изобретении модуля, с электродом или с корпусом и который выполнен пластинчатым и имеет первый торец и второй торец, а также боковую поверхность. При этом первый торец такого электрического проводника соединен с его вторым торцом по меньшей мере одним отверстием. Это по меньшей мере одно отверстие предназначено для крепления модуля. Для электрического соединения первых контактов модуля с электрическим проводником он имеет электропроводные вторые контакты.
Подобный предлагаемый в изобретении электрический проводник прежде всего имеет толщину между своими первым и вторым торцами, составляющую лишь от 0,5 до 5 мм, и прежде всего не выполняет никакую функцию опоры для по меньшей мере одного модуля при его размещении в термоэлектрическом генераторе. Электрический проводник выполнен в основном пластинчатым (или по типу диска или плоского кольца) и прежде всего имеет на своем первом торце и/или втором торце в зоне отверстий электрические контактные выводы, которые образуют электропроводные вторые контакты для электрического соединения с ним первых контактов модуля. Электропроводные вторые контакты прежде всего выполнены таким образом, что они образуют своего рода фланцевые контактные выводы вокруг отверстий электрического проводника, вставляемые или вдвигаемые в промежуток между внутренней трубкой и наружной трубкой модуля и электрически соединяемые таким путем по меньшей мере на части окружного периметра модуля с его электропроводными первыми контактами. В результате электрический ток, вырабатываемый термоэлектрическими элементами модуля, передается через первые контакты на вторые контакты и тем самым на электрический проводник.
Электрический проводник предпочтительно изготавливать из того же материала, из которого изготавливают наружную трубку и/или внутреннюю трубку и/или корпус термоэлектрического генератора.
Электрический проводник предназначен для электрического соединения термоэлектрических элементов модуля прежде всего с корпусом (в качестве электрической "массы") термоэлектрического генератора, благодаря чему возможен прежде всего электропроводный контакт с "массой". С противоположной стороны можно с (положительным) электродом электрически соединять, например, другой, имеющий практически такое же исполнение проводник.
Электрический проводник может быть также предназначен для электрического соединения термоэлектрических элементов модуля по площади своей двумерной пластинчатой протяженности с электродом, соединяемым с токопроводами вне корпуса термоэлектрического генератора. Для этого электрический проводник следует электрически изолировать от корпуса термоэлектрического генератора. В отношении конструктивных особенностей выполнения уплотняемого, соответственно изолируемого соединения между электрическим проводником и корпусом и прежде всего уплотняемого и изолируемого ввода электрода через корпус термоэлектрического генератора можно сослаться на публикацию DE 4303581 А1, которая тем самым в полном объеме включена в настоящее описание в качестве ссылки. Описанный в этой публикации трубчатый кожух функционально следует приравнять к корпусу предлагаемого в настоящем изобретении термоэлектрического генератора, при этом описанные в указанной публикации электроды были бы электрически соединены с представленным в настоящем изобретении электрическим проводником.
Ввод электрода, соответственно токопровода через корпус термоэлектрического генератора наружу и/или электрический проводник внутри корпуса предлагается уплотнять прежде всего во избежание утечки газообразной текучей среды, прежде всего ОГ, образующихся при работе ДВС.
Еще одним объектом настоящего изобретения является термоэлектрический генератор, имеющий по меньшей мере следующие компоненты: по меньшей мере один предлагаемый в изобретении модуль, по меньшей мере один вход и по меньшей мере один выход для текучей среды, по меньшей мере один вход и по меньшей мере один выход для охлаждающей среды и корпус, при этом по меньшей мере один модуль по меньшей мере на своем первом конце или своем втором конце закреплен своей внутренней трубкой или своей наружной трубкой в описанном выше предлагаемом в изобретении электрическом проводнике.
При этом в предпочтительном варианте в термоэлектрическом генераторе предусмотрено несколько модулей, каждый из которых, например, на одном своем конце соединен внутренней трубкой с одним предлагаемым в изобретении электрическим проводником, а с противоположной стороны на другом своем конце соединен наружной трубкой с другим предлагаемым в изобретении электрическим проводником. В этом случае один из электрических проводников (первый электрический проводник) в предпочтительном варианте может быть соединен с образующим электрическую "массу" корпусом, а другой электрический проводник (второй электрический проводник) - с электродом.
Вместо предлагаемого в изобретении электрического проводника в принципе можно использовать и иные электрические соединения модулей с электродом или корпусом, например кабельные соединения. Однако в данном случае следует предпочесть вариант с предлагаемым в изобретении электрическим проводником, поскольку он прежде всего при его размещении в проходимой текучей средой или охлаждающей средой зоне обладает высокой выносливостью и поэтому длительно сохраняет свою работоспособность, благодаря чему исключается необходимость в техническом обслуживании термоэлектрического генератора.
В одном из особенно предпочтительных вариантов термоэлектрический генератор имеет от 10 до 50 модулей, которые расположены (параллельно) рядом друг с другом и на своем соответствующем конце одним из электрических проводников соединены между собой, и/или с электродом, и/или с корпусом термоэлектрического генератора. Наиболее предпочтителен вариант, в котором термоэлектрический генератор имеет от 20 до 30 модулей.
Вход и выход для текучей среды предусмотрены прежде всего с первого торца, соответственно со второго торца термоэлектрического генератора, и поэтому через модули внутри них проходит текучая среда. В этом случае вход и выход для охлаждающей среды соответственно расположены на боковой поверхности корпуса, и поэтому с наружными поверхностями модулей контактирует движущийся снаружи них поток охлаждающей среды. При необходимости вход/выход для текучей среды можно поменять местами со входом/выходом для охлаждающей среды, и в этом случае через модули внутри них будет проходить поток охлаждающей среды, а с наружными поверхностями модулей будет контактировать движущийся снаружи них поток текучей среды.
Вход и выход для текучей среды могут быть прежде всего выполнены в виде части системы выпуска ОГ или выпускного трубопровода. Однако прежде всего существует также возможность предусматривать несколько входов и/или несколько выходов для текучей среды.
Электрические проводники предусмотрены внутри корпуса термоэлектрического генератора, и поэтому электрический ток, вырабатываемый в модулях их термоэлектрическими элементами, проходит по электрическим проводникам к корпусу, соответственно к находящемуся снаружи него электроду.
В еще одном особенно предпочтительном варианте весь корпус термоэлектрического генератора может быть электрически изолирован от других компонентов автомобиля или от окружающей системы, прежде всего от соединенной с корпусом системы выпуска ОГ. В этом отношении следует сослаться на публикацию DE 4429878 А1, которая тем самым в полном объеме включена в настоящее описание в качестве ссылки и в которой уже описана прежде всего изоляция устройства для снижения токсичности ОГ от соединенной с ним системы выпуска ОГ.
В еще одном предпочтительном варианте предлагаемый в изобретении термоэлектрический генератор используется вместо обычного теплообменника, прежде всего теплообменника в системе выпуска или рециркуляции ОГ, образующихся при работе ДВС. В качестве входов/выходов для текучей среды, соответственно для охлаждающей среды можно без изменений использовать таковые, предусмотренные для подсоединения теплообменника, однако термоэлектрический генератор дополнительно имеет по меньшей мере один электрод (положительный полюс), предназначенный для отвода электрического тока, вырабатываемого в термоэлектрическом генераторе.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении термоэлектрического генератора предусмотрен по меньшей мере один опорный элемент, который соединен с корпусом и по меньшей мере одним модулем и образует с корпусом и по меньшей мере одним модулем уплотнение, не проницаемое для текучей среды и/или охлаждающей среды. Такой опорный элемент выполнен прежде всего аналогично предлагаемому в изобретении электрическому проводнику в виде пластинчатого элемента с отверстиями и соединен с наружной трубкой и/или с внутренней трубкой модуля, а также с корпусом сплошным соединением (соединением, реализуемым силами молекулярного сцепления), соединением с геометрическим замыканием и/или соединением с силовым замыканием. Подобный опорный элемент предназначен для фиксации и размещения отдельных модулей в корпусе термоэлектрического генератора и тем самым для обеспечения возможности надежного опирания модулей в корпусе. Помимо этого опорные элементы служат прежде всего для образования уплотнения внутри корпуса между той его частью, через которую проходит текучая среда, и той его частью, через которую проходит охлаждающая среда. Однако и в этом случае уплотнение образовано прежде всего с использованием других специальных уплотнительных средств.
В одной из особенно предпочтительных модификаций выполненного по описанному выше варианту термоэлектрического генератора функции по меньшей мере одного опорного элемента и по меньшей мере одного электрического проводника объединены в одной детали. В соответствии с этим одна деталь может выполнять функцию опоры для отдельных модулей, а также функцию уплотнения и проводника вырабатываемого в модуле электрического тока.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении термоэлектрического генератора его корпус имеет по меньшей мере один компенсационный элемент. Такой компенсационный элемент выполнен прежде всего аналогично уже описанному выше компенсационному элементу модуля. В данном случае, таким образом, в качестве подобного компенсационного элемента также следует предусматривать прежде всего сильфон, который допускает главным образом тепловое расширение корпуса относительно расположенных в нем и имеющих отличный от него коэффициент расширения модулей.
В следующем варианте выполнения предлагаемого в изобретении термоэлектрического генератора по меньшей мере один модуль имеет по меньшей мере одну (профильную) структуру для влияния по меньшей мере на поток текучей среды и/или охлаждающей среды и/или для передачи тепла по меньшей мере от текучей среды и/или охлаждающей среды к внутренней трубке или наружной трубке. Подобные структуры предусмотрены для проточных каналов и путей прохождения потоков, например, представляют собой элементы для влияния на потоки и/или потоконаправляющие лопатки и/или теплопроводные структуры. Такие структуры могут быть предусмотрены на наружной поверхности наружной трубки и/или на внутренней поверхности внутренней трубки и позволяют тем самым соответственно влиять на движущиеся вдоль этих поверхностей потоки текучей среды и/или охлаждающей среды.
В еще одном особенно предпочтительном варианте предлагаемый в изобретении термоэлектрический генератор может иметь термоэлектрические элементы различных типов.
В следующем предпочтительном варианте теряемая мощность термоэлектрического генератора составляет максимум 10%. Под теряемой мощностью при этом подразумевается та часть от всей вырабатываемой термоэлектрическими элементами электрической мощности, которая в виде тепловой мощности теряется в термоэлектрическом генераторе из-за наличия переходных сопротивлений в электрических проводниках между термоэлектрическими элементами.
Помимо этого можно также предусмотреть дополнительное охлаждение по меньшей мере части модуля. В особенно предпочтительном варианте подобное дополнительное охлаждение реализуется путем изменения на обратную полярности (электрической, соответственно электромеханической) схемы включения термоэлектрических элементов, которые в результате начинают работать как элементы Пельтье. Тем самым термоэлектрические элементы могут самоохлаждаться при прохождении слишком горячих ОГ через термоэлектрический генератор.
Предлагаемый в изобретении термоэлектрический генератор в предпочтительном варианте применяют на автомобиле с двигателем внутреннего сгорания и выпускным трубопроводом и пропускают при этом поток отработавших газов через по меньшей мере один предлагаемый в изобретении модуль. При таком размещении термоэлектрического генератора в выпускном трубопроводе автомобиля прежде всего предусмотрена также возможность пропускания охлаждающей среды через модуль внутри него, в соответствии с чем поток ОГ в корпусе термоэлектрического генератора обтекает его модули снаружи. В качестве охлаждающей среды используется главным образом охлаждающая жидкость, что, однако, не исключает возможность применения и иных охлаждающих сред, таких как масла.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения в нем предлагается автомобиль с двигателем внутреннего сгорания и выпускным трубопроводом, а также трубопроводом рециркуляции отработавших газов, в котором расположен предлагаемый в изобретении термоэлектрический генератор.
Следующим объектом изобретения является способ изготовления модуля, заключающийся в выполнении по меньшей мере следующих стадий:
а1) подготавливают внутреннюю трубку, имеющую поперечное сечение и наружную боковую поверхность,
а2) по меньшей мере часть наружной боковой поверхности внутренней трубки покрывают
I) диэлектриком и
II) токопроводящим материалом для образования токопроводящих дорожек,
а3) наносят полупроводниковый материал или по меньшей мере один термоэлектрический элемент, а также
б1) подготавливают наружную трубку, имеющую внутреннюю поверхность,
б2) по меньшей мере часть внутренней поверхности наружной трубки покрывают
I) диэлектриком и
II) токопроводящим материалом для образования токопроводящих дорожек и затем
в1) наружную трубку и внутреннюю трубку собирают друг с другом.
Указанные выше стадии а) и б) можно выполнять отдельно и независимо друг от друга во времени. Отдельные же операции (подстадии) на каждой из этих стадий должны выполняться в указанной выше последовательности.
Покрытие из диэлектрика на внутреннюю трубку, соответственно на наружную трубку особенно предпочтительно наносить опусканием в погружную ванну. Для последующего нанесения покрытия из токопроводящего материала на внутреннюю трубку, соответственно на наружную трубку, уже покрытую диэлектриком трубку либо опускают в погружную ванну с токопроводящим материалом, либо его наносят, например, методом трафаретной печати прежде всего на наружную боковую поверхность внутренней трубки.
Полупроводниковый материал в данном случае также можно наносить опусканием в погружную ванну. Помимо этого полупроводниковый материал можно также в виде разным образом легированных кольцевых элементов насаживать на внутреннюю трубку, что позволяет разным образом легированные в осевом направлении модуля полупроводники путем их электрического соединения токопроводящими дорожками включать в общую схему с получением термоэлектрического элемента.
Термоэлектрический элемент наряду с его нанесением в виде полупроводникового материала в одном из предпочтительных вариантов можно также наносить непосредственно на соответствующим образом подготовленную внутреннюю трубку и в зависимости от варианта его выполнения соединять с другими термоэлектрическими элементами по параллельной или последовательной схеме. При этом термоэлектрическими элементами предпочтительно снабжать максимально возможную часть боковой поверхности внутренней трубки. При этом прежде всего при использовании внутренней трубки прямоугольного сечения термоэлектрическими элементами покрывают ее большие боковые поверхности, а меньшие боковые поверхности оставляют свободными, что позволяет располагать отдельные модули в корпусе термоэлектрического генератора плотнее друг к другу.
Поскольку внутреннюю поверхность наружной трубки покрывают диэлектриком и токопроводящим материалом и поскольку сама она обычно имеет столь малое поперечное сечение, что обработка ее внутренней поверхности невозможна, диэлектрик и токопроводящий материал предпочтительно наносить на внутреннюю поверхность наружной трубки методом погружения.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа для выполнения токопроводящих дорожек на предпочтительных участках наружной трубки, что позволяет по соответствующей схеме соединить нанесенные термоэлектрические элементы, соответственно легированный соответствующим образом полупроводниковый материал на внутренней трубке, после выполнения стадии б2.I) в наружную трубку с гладкой внутренней поверхностью и покрытием из диэлектрика на стадии б2.II) вставляют внутреннюю профилированную трубку из токопроводящего материала для образования токопроводящих дорожек и соединяют ее с наружной трубкой, прежде всего пайкой. При этом внутренняя профилированная трубка имеет первый минимальный внутренний диаметр и выполненную снаружи нее профилированную структуру и поэтому только на отдельных участках контактирует с наружной трубкой, соответственно с покрытием из диэлектрика. Внутренняя профилированная трубка после выполнения операций I) и II) на стадии б2, таким образом, образует своей (гладкой) внутренней поверхностью первый минимальный внутренний диаметр, увеличиваемый затем на стадии б3 (прежде всего путем рассверливания или растачивания). При этом материал внутренней профилированной трубки снимают настолько, что он остается присутствовать на наружной трубке только на отдельных ее участках и соответственно образует токопроводящие дорожки. Таким путем получают (практически) ровную внутреннюю поверхность наружной трубки, при сборке которой с внутренней трубкой на наружной поверхности этой внутренней трубки и одновременно на внутренней поверхности наружной трубки образуется соответствующая система из токопроводящих дорожек, позволяющая создать соответствующий путь тока через термоэлектрические элементы.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа изготавливаемый им модуль имеет первый конец и второй конец, на каждом из которых токопроводящие дорожки электрически соединяют при этом с по меньшей мере одним электрическим контактом. Такой электрический контакт при этом может быть образован кабелем или иным аналогичным средством, позволяющим проводить вырабатываемый термоэлектрическими элементами электрический ток за пределы модуля. Однако подобный электрический контакт прежде всего выполнен таким образом, что образуется прежде всего газонепроницаемое уплотнение между наружной трубкой и внутренней трубкой, а электрический первый контакт оказывается электрически соединен с предлагаемым в изобретении электрическим проводником.
В следующем предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа нанесенный на наружную боковую поверхность внутренней трубки полупроводниковый материал после выполнения стадии а3 легируют на следующей стадии а4 с образованием таким путем по меньшей мере одного термоэлектрического элемента.
Ниже изобретение, а также необходимые для его реализации технические средства более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. Необходимо отметить, что на этих чертежах представлены особенно предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые, однако, не ограничивают его объем. На прилагаемых к описанию чертежах, которые носят схематичный характер, в частности, показано:
на фиг.1 - автомобиль со встроенным в него термоэлектрическим генератором,
на фиг.2 - внутренняя трубка согласно стадии а1,
на фиг.3 - внутренняя трубка согласно стадии а2.I),
на фиг.4 - внутренняя трубка согласно стадии а2.II),
на фиг.5 - внутренняя трубка согласно стадии а3 с полупроводниковым материалом,
на фиг.6 - внутренняя трубка согласно стадии а3 с термоэлектрическими элементами,
на фиг.7 - наружная трубка согласно стадии б1,
на фиг.8 - наружная трубка согласно стадии б2.I),
на фиг.9 - наружная трубка перед выполнением стадии б3,
на фиг.10 - наружная трубка согласно стадии б2.II) или согласно стадии б3,
на фиг.11 - внутренняя трубка и наружная трубка до их сборки на стадии в1,
на фиг.12 - выполненный еще по одному варианту модуль для термоэлектрического генератора,
на фиг.13 - выполненный по одному из вариантов электрический проводник, изображенный в виде сбоку и в разрезе,
на фиг.14 - выполненный еще по одному варианту термоэлектрический генератор и
на фиг.15 - выполненный по другому варианту термоэлектрический генератор.
На фиг.1 схематично проиллюстрирована предпочтительная область применения термоэлектрического генератора 2. На данном чертеже при этом показан автомобиль 31 с ДВС 32. ОГ, образующиеся при работе ДВС 32, например двигателя с принудительным воспламенением рабочей смеси или дизельного двигателя, проходят по выпускному трубопроводу 33 через различные устройства 44 для снижения токсичности ОГ и через термоэлектрический генератор 2, который в рассматриваемом варианте расположен в трубопроводе 35 рециркуляции ОГ, который соединяет выпускной трубопровод 33 с трубопроводом 45 для подачи воздуха в ДВС 32. Встраивание термоэлектрического генератора 2 в трубопровод 35 рециркуляции ОГ особенно предпочтительно по той причине, что в нем обычно предусмотрены теплообменники, которые можно заменить на термоэлектрический генератор 2. Тем самым в систему выпуска ОГ, образующихся при работе ДВС 32, не интегрируют никакие дополнительные устройства 44 для снижения токсичности ОГ, и поэтому прежде всего используются существующие пространственные условия на автомобиле 31.
На фиг.2-12 проиллюстрировано изготовление модуля 1 термоэлектрического генератора. На фиг.2 при этом показана внутренняя трубка 5, имеющая наружную боковую поверхность 37 и поперечное сечение 36, которое может иметь прежде всего круглую либо многоугольную, главным образом прямоугольную форму.
На фиг.3 показана внутренняя трубка 5 согласно стадии а2.I), предназначенная для изготовления модуля 1, при этом в данном случае наружная боковая поверхность 37 внутренней трубки 5 снабжена покрытием из диэлектрика 39. Таким диэлектриком 39 в данном случае прежде всего покрыта не вся наружная боковая поверхность 37 внутренней трубки 5, а лишь часть 38 ее наружной боковой поверхности 37. При этом прежде всего при использовании плоских трубок прямоугольного сечения покрытие из диэлектрика следует наносить только на их большие боковые поверхности с тем, чтобы при применении нескольких модулей 1 в термоэлектрическом генераторе их можно было располагать плотнее друг к другу.
На фиг.4 показана внутренняя трубка 5 согласно стадии а2.II), при этом снаружи на покрытие из диэлектрика 39 нанесено еще одно покрытие из токопроводящего материала 40 для образования токопроводящих дорожек. Такой токопроводящий материал 40 в данном случае нанесен в виде сплошного покрытия, однако его можно также наносить (например, методом трафаретной печати, см. фиг.5) уже в виде используемых в последующем токопроводящих дорожек 19.
На фиг.5 показана внутренняя трубка 5 с покрытием из диэлектрика 39 и покрытием из токопроводящего материала 40, которое в данном случае показано на чертеже в виде уже сформированных токопроводящих дорожек 19, которые покрывают только часть 38 боковой поверхности 37 внутренней трубки 5. Внутренняя трубка 5 дополнительно снабжена покрытием из полупроводникового материала 41, которое в данном случае было нанесено, например, методом погружения. Тем самым на данном чертеже внутренняя трубка 5 показана после выполнения стадии а3. Зазоры между диэлектриком 39 и полупроводниковым материалом 41 показаны на данном чертеже лишь для наглядного обозначения положения токопроводящих дорожек 19. Фактически же токопроводящие дорожки 19 выполнены настолько тонкими, что полупроводниковый материал 41 прилегает, во-первых, к ним, а во-вторых, к диэлектрику 39.
На фиг.6 показана внутренняя трубка 5 после выполнения стадии а3, при этом в данном случае на уже имеющиеся на ней покрытия из диэлектрика 39 и токопроводящего материала 40 для образования токопроводящих дорожек 19, которые в данном случае уже сформированы, были нанесены термоэлектрические элементы 7. Такие термоэлектрические элементы 7 могут быть также образованы полупроводниковым материалом 41, который прежде всего на стадии, следующей за стадией а3, разделяют путем соответствующей обработки на отдельные сегменты, которые легируют прежде всего на последующей стадии а4, что позволяет сформировать из образующего в результате термоэлектрический элемент 7 легированного полупроводникового материала 41 путь тока вдоль наружной боковой поверхности 37 внутренней трубки 5. Сегментирование можно также выполнять исключительно путем легирования на стадии а4, и в этом случае на внутренней трубке будет присутствовать сплошной полупроводниковый слой, в котором путем его легирования можно сформировать путь тока.
На фиг.7 показана наружная трубка 6 с внутренней поверхностью 42 согласно стадии б1. Внутренний диаметр наружной трубки 6 выбирают при этом таким, чтобы после выполнения отдельных стадий внутреннюю трубку 5 и наружную трубку 6 можно было собрать друг с другом, вставив их одна в другую, с получением функционального модуля с контактирующими между собой поверхностями.
На фиг.8 в левой части показана наружная трубка 6 с покрытием из диэлектрика 39 согласно стадии б2.I). В правой части чертежа показана внутренняя профилированная трубка 47, выполненная из токопроводящего материала 40 для образования токопроводящих дорожек. Внутренняя профилированная трубка 47 имеет первый минимальный внутренний диаметр 43.
На фиг.9 показана наружная трубка 6 с еще одним слоем из токопроводящего материала 40, который изнутри прилегает к покрытию из диэлектрика 39. Этот слой согласно фиг.8 можно создавать путем сборки между собой наружной трубки 6 и внутренней профилированной трубки 47 из токопроводящего материала 40. Профилированная структура внутренней профилированной трубки 47 выполнена снаружи нее, и поэтому внутренняя профилированная трубка 47 только на отдельных участках прилегает к внутренней поверхности 42 наружной трубки 6, соответственно к диэлектрику 39. На фиг.9 наружная трубка 6 показана, таким образом, до выполнения стадии б3, на которой затем увеличивают первый минимальный внутренний диаметр 43.
На фиг.10 показана наружная трубка 6 согласно стадии б2.II) или после выполнения стадии б3, на которой ее минимальный внутренний диаметр 43 (см. фиг.9) был увеличен, например, путем рассверливания или растачивания с получением в результате (практически) гладкой внутренней поверхности, поскольку токопроводящие дорожки 19 лишь на очень малую величину возвышаются над покрытием из диэлектрика 39. На этой внутренней поверхности диэлектрик 39 и токопроводящий материал 40 попеременно чередуются, соответственно диэлектрик 39 и токопроводящий материал 40 расположены по схеме, соответствующей рельефу внутренней профилированной трубки 47 (см. фиг.9). Токопроводящий материал 40 присутствует только на отдельных участках и образует соответствующие токопроводящие дорожки 19.
На фиг.11 в левой части показана внутренняя трубка 5, полученная после выполнения стадии а3, соответственно после выполнения стадии а4 и поэтому уже имеющая нанесенное на нее покрытие из диэлектрика 39 и выполненные на ней токопроводящие дорожки 19. Помимо этого термоэлектрические элементы 7, соответственно легированный полупроводниковый материал 41 расположены на поверхности внутренней трубки 5 таким образом, что при ее сборке с показанной в правой части чертежа наружной трубкой 6 со структурой из диэлектрика 39 и токопроводящих дорожек 19 образуется путь тока через выполненный таким образом модуль 1.
На фиг.12 показан модуль 1, полученный в результате сборки между собой (согласно стадии в1) внутренней трубки 5 после выполнения стадий а3, соответственно а4 и наружной трубки 6 после выполнения стадий б2.II), соответственно б3. Такой модуль 1 имеет первый конец 3 и расположенный напротив него второй конец 4, при этом между наружной трубкой 6 и внутренней трубкой 5 термоэлектрические элементы 7 расположены таким образом, что образуется по меньшей мере один путь электрического тока от первого конца 3 модуля до его второго конца 4. В данном случае возможно также образование нескольких параллельных путей тока. Помимо этого на первом конце 3 и втором конце 4 модуля благодаря прежде всего наличию токопроводящего материала 40 образованы первые контакты 8, обеспечивающие возможность электрического соединения с компонентами вне модуля 1, от которого тем самым можно отводить электрический ток, вырабатываемый благодаря наличию разности температур между образующими его наружной трубкой 6 и внутренней трубкой 5. Наружная трубка 6 имеет далее по меньшей мере один компенсационный элемент 10, который расположен на расстоянии 11 от по меньшей мере первого конца 3 модуля. Такой компенсационный элемент 10 позволяет компенсировать обусловленные разностью температур между наружной трубкой 6 и внутренней трубкой 5 различия в величинах их относительного теплового расширения и благодаря чему исключает нарушение конструктивной целостности модуля 1 и тем самым его выход из строя.
На фиг.13 в двух видах показан электрический проводник 9, который может использоваться прежде всего в термоэлектрическом генераторе. В левой части чертежа электрический проводник 9 показан в виде сбоку, а в правой части чертежа - в виде в плане. Такой электрический проводник 9 имеет при этом первый торец 14 и второй торец 15, соединенные между собой отверстиями 17. Электрический проводник 9 имеет далее наружный край 16. Электрический проводник 9, кроме того, соединен прежде всего с электродом 12, через который можно снимать электрический ток, проходящий по электрическому проводнику 9. Наружный край 16 выполнен при этом таким образом, что прежде всего его можно либо электрически изолировать от корпуса термоэлектрического генератора 2, либо электрически соединять с его корпусом. Кроме того, электрический проводник 9 имеет прежде всего электрически соединенные с ним вторые контакты 18. Такие контакты могут быть соединены с электрическим проводником прежде всего сплошным соединением (соединением, реализуемым силами молекулярного сцепления). Вторые контакты 18 прежде всего выполнены таким образом, что они по меньшей мере частично окружают отверстия 17. Вторые контакты 18 предназначены при этом для электрического соединения электрического проводника 9 с модулями, вырабатываемый в которых электрический ток можно через электрический проводник 9 отводить к компонентам автомобиля или к какой-либо иной системе.
На фиг.14 показан выполненный по первому варианту термоэлектрический генератор 2. Он имеет корпус 13, в котором расположено несколько модулей 1. Корпус 13 имеет при этом вход 20 для текучей среды и выход 21 для текучей среды, а также вход 22 для охлаждающей среды и выход 23 для охлаждающей среды. Через корпус 13 термоэлектрического генератора 2, таким образом, проходит поток текучей среды 28, прежде всего поток ОГ 34, входящий в корпус и выходящий из него соответственно через предназначенные для нее вход 20 и выход 21, и одновременно проходит охлаждающая среда 29, входящая в корпус и выходящая из корпуса соответственно через предназначенные для нее вход 22 и выход 23. Охлаждающая среда 29 и текучая среда 28 при этом герметично отделены друг от друга прежде всего благодаря наличию опорных элементов 26 в их взаимодействии с корпусом 13 и/или с модулями 1. Такие опорные элементы 26 предназначены прежде всего для фиксации модулей 1 в корпусе 13 термоэлектрического генератора 2.
Модули 1 состоят из внутренней трубки 5 и наружной трубки 6, а также из расположенных между ними термоэлектрических элементов 7, и поэтому в результате создаваемой текучей средой 28 и охлаждающей средой 29 разности температур между наружной трубкой 6 и внутренней трубкой 5 модуля 1 вырабатывается электрический ток, который может отводиться из корпуса 13 по электрическим проводникам 9. При этом в предпочтительном варианте предусмотрен первый электрический проводник 24, который электрически соединен с корпусом 13 и модулем 1, соответственно с расположенными в нем термоэлектрическими элементами 7. Помимо этого предусмотрен второй электрический проводник 25, который также электрически соединен с модулями 1 и прежде всего с его термоэлектрическими элементами 7 и который тем самым позволяет через электрод 12 отводить вовне корпуса 13 вырабатываемый в результате создания разности температур электрический ток. Для этого второй электрический проводник 25 электрически изолирован изоляцией 46 от корпуса 13 термоэлектрического генератора 2. Электрические проводники 9, 24, 25 при этом электрически соединены первыми контактами 8, соответственно вторыми контактами 18 с термоэлектрическими элементами 7 каждого из отдельных модулей 1. Первые контакты 8, соответственно вторые контакты 18 при этом могут быть совместно выполнены в виде единой детали, которая без возможности ее потери расположена на электрическом проводнике 9, например соединена с ним сваркой или пайкой, либо на модуле 1. Участок между внутренней трубкой 5 модуля 1 и его наружной трубкой 6 при этом уплотнен по меньшей мере первыми контактами 8, соответственно вторыми контактами 18, что исключает попадание текучей среды 28, соответственно ОГ 34 в этот промежуток и оказание ими возможного коррозионного воздействия.
Как показано на чертеже, текучая среда 28 входит в корпус 13 термоэлектрического генератора 2 через соответствующий вход 20 и проходит через отверстия 17 электрического проводника 9 во внутренние трубки 5 отдельных модулей 1. После прохождения через модули 1 текучая среда 28 проходит через отверстия 17 другого электрического проводника 9 и вновь выходит из термоэлектрического генератора через соответствующий выход 21. Снаружи модулей 1 проходит, кроме того, обтекающая поверхность их наружных трубок 6 охлаждающая среда 29, в результате чего создается разность температур между внутренней трубкой 5 и наружной трубкой 6. Для компенсации возможного теплового расширения прежде всего модулей 1 в корпусе 13 предусмотрен также по меньшей мере один компенсационный элемент 10, допускающий возможность расширения корпуса 13 термоэлектрического генератора 2.
На фиг.15 показан выполненный по второму варианту термоэлектрический генератор 2, у которого прежде всего вход 20 и выход 21 для текучей среды поменяны местами со входом 22 и выходом 23 для охлаждающей среды. Таким образом, в данном случае поток охлаждающей среды 29 проходит через модули 1 по их внутренним трубкам 5, а текучая среда 28, соответственно ОГ 34 обтекает/обтекают поверхность наружных трубок 6 модулей. При этом и в данном случае предусмотрены опорные элементы 26, которые в соединениях с корпусом 13 и модулями 1 образуют уплотнение 27 между той частью корпуса 13, через которую проходит охлаждающая среда, и той частью корпуса 13, через которую проходит текучая среда 28. Опорные элементы 26 в данном случае соединены с внутренними трубками 5 модулей 1 и тем самым образуют фиксирующую их в корпусе 13 опору. Благодаря этому промежуток между наружной трубкой 6 и внутренней трубкой 5 требуется уплотнять по меньшей мере первыми контактами 8, соответственно вторыми контактами 18 только во избежание проникновения в него текучей среды 28, соответственно ОГ 34. Помимо этого на наружной поверхности наружной трубки 6 в данном случае предусмотрены структуры 30, позволяющие улучшить передачу тепла от текучей среды 28, соответственно ОГ 34 к наружной трубке 6. Аналогичные структуры 30 предусмотрены и во внутренних трубках 5 и предназначены для создания турбулентности в проходящем по ним потоке текучей среды 28 или же в проходящем по ним потоке охлаждающей среды 29 и улучшения благодаря этому теплопередачи между текучей средой 28, соответственно охлаждающей средой 29 и внутренней трубкой 5. Структуры 30 могут быть предусмотрены также в качестве теплопроводных элементов, улучшающих теплопередачу между внутренней трубкой 5 и текучей средой 28, соответственно охлаждающей средой 29.
Показанные на фиг.14 и 15 опорные элементы 26 можно в каждом случае выполнять совместно с электрическими проводниками 9 в виде единых деталей. В этом случае функцию опоры для модулей 1, функцию уплотнения 27 в соединениях с корпусом 13 и с модулями 1, а также функцию проводника электрического тока выполняет одна деталь.
Помимо этого и первый электрический проводник 24 можно выполнить изолированным от корпуса 13, соответственно корпус 13 можно выполнить изолированным от системы выпуска ОГ, образующихся при работе ДВС 32. В подобном случае модули 1 имели бы электрически независимое от системы выпуска ОГ исполнение и в соответствии с этим могли бы быть соединены с "массой" автомобиля или с отрицательным контактным выводом источника тока.