DE102015105939A1

DE102015105939A1 - Device for the thermoelectric conversion of thermal energy

Info

Publication number: DE102015105939A1
Application number: DE102015105939.8A
Authority: DE
Inventors: Gerd-Sebastian Beyerlein
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2016-10-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 zur elektrischen Umwandlung thermischer Energie, die an einem heiße Gase oder Flüssigkeiten führenden Bauteil 2 angeordnet ist, insbesondere zur Rückgewinnung von Energie aus Abgasen von Verbrennungsaggregaten, bei der thermoelektrische Generatoren bzw. Schenkel 5 zwischen einer Warmseite 4 und einer Kaltseite 6 angeordnet sind. Um eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art so weiterzubilden, dass sie wirtschaftlich und flexibel an einem hoch temperierten und/oder an einem heißgas- oder flüssigkeitsführenden Bauteil einsetzbar ist, wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung 1 zur Anpassung an das jeweilige Bauteil 2 zu entsprechenden Verformungen ausgebildet ist durch eine Fixierung der thermoelektrischen Schenkel 5 in einer mindestens beim Einbau flexiblen, temperaturstabilen, dämmenden und elektrisch nicht leitfähigen Matrix 10 vorgesehen ist, und eine Verschaltung der thermoelektrischen Schenkel (5) unter weitgehender Beibehaltung ihrer Flexibilität durch metallische Interconnects (16).The present invention relates to a device 1 for the electrical conversion of thermal energy, which is arranged on a hot gases or liquids leading component 2, in particular for the recovery of energy from exhaust gases of combustion units, in the thermoelectric generators or legs 5 between a hot side 4 and a Cold side 6 are arranged. In order to develop a device of the aforementioned type so that it can be used economically and flexibly on a high-temperature and / or hot gas or liquid-conducting component, it is proposed that the device 1 be adapted to the respective component 2 to form corresponding deformations is provided by a fixation of the thermoelectric legs 5 in a flexible at least during installation, temperature-stable, insulating and electrically non-conductive matrix 10, and an interconnection of the thermoelectric legs (5) while largely retaining their flexibility by metallic interconnects (16).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Umwandlung thermischer Energie, also zur Erzeugung elektrischer Energie über sog. thermoelektrische Generatoren, die an heiße Gase oder Flüssigkeiten führenden Bauteilen angeordnet sind, insbesondere zur Rückgewinnung von Energie aus Abgasen von Verbrennungsaggregaten in mobilen oder stationären Anwendungen unter Nutzung des sog. Seebeck-Effektes. The present invention relates to a device for electrical conversion of thermal energy, ie for generating electrical energy via so-called. Thermoelectric generators, which are arranged on hot gases or liquids leading components, in particular for the recovery of energy from exhaust gases of combustion units in mobile or stationary applications using the so-called Seebeck effect.

Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansätze für den Aufbau und eine Anbringung thermoelektrischer Generatoren bzw. TEG der vorstehend genannten Art bekannt. So wird u.a. in der DE 10 2008 038 985 A1 eine thermoelektrische Vorrichtung unter Verwendung von Halbleiterelementen offenbart, die über Lotbrücken abwechselnd miteinander elektrisch verbunden und zwischen zwei korrosionsfesten und thermisch stabilen Metallfolien elektrisch isoliert angeordnet sind. Zur Steigerung einer thermischen Isolation kann ein Zwischenraum verfüllt sein. Die Metallfolien bilden jeweils eine Warmseite und eine Kaltseite und können zur Bildung eines Gehäuses miteinander verbunden werden, um ein Eindringen von Gasen zwischen die Folien zu verhindern. Die Warmseite kann dabei mit einem Katalysator-Material beschichtet und die Kaltseite mit einem Wasser-Kühlkreislauf verbunden sein, um einen möglichst hohen Temperaturgradienten einzustellen. Various approaches for the construction and attachment of thermoelectric generators or TEGs of the aforementioned type are known from the prior art. So is among other things in the DE 10 2008 038 985 A1 discloses a thermoelectric device using semiconductor elements which are alternately electrically interconnected via solder bridges and electrically isolated between two corrosion-resistant and thermally stable metal foils. To increase a thermal insulation, a gap may be filled. The metal foils each form a hot side and a cold side, and can be joined together to form a housing to prevent ingress of gases between the foils. The hot side can be coated with a catalyst material and the cold side connected to a water cooling circuit to set the highest possible temperature gradient.

Eine Integration thermoelektrischer Module in thermische Systeme, wie beispielsweise einer Abgasanlage, erfolgt in der Regel unter Nutzung nur eines Teils der zur Verfügung stehenden heißen fluiden Stoffe durch den Einbau von Bypass-Systemen in Plattenbauform, die eine oder mehrere Anbindungen an einen bereits bestehenden Kühlkreislauf besitzen. Die hohe technische Komplexität hat aufwendige Konstruktionen und in deren Konsequenz hohe Kosten zur Folge, die den Einsatz der thermoelektrischen Module oft unwirtschaftlich machen. An integration of thermoelectric modules in thermal systems, such as an exhaust system, usually takes place using only a portion of the available hot fluids by the installation of bypass systems in plate design, which have one or more connections to an existing cooling circuit , The high technical complexity results in complex constructions and, as a consequence, high costs, which often make the use of the thermoelectric modules uneconomic.

Der vorliegenden Erfindung liegt als eine Erkenntnis die Tatsache zugrunde, dass thermoelektrische Module in bekannten Vorrichtungen auf Basis ebener bzw. planer Platten hergestellt werden, indem die einzelnen thermoelektrischen Generatoren als thermoelektrische Schenkel zwischen zwei Substraten in starrer Bauform angeordnet werden. Aufgrund der starren Bauform derartiger thermoelektrischer Module können heiße Oberflächen z.B. von i.d.R. radialsymmetrischen heißgasführenden Bauteilen, wie z.B. Abgasrohre, durch verminderte Kontaktflächen bei äußerlicher Anordnung thermisch nur vergleichsweise sehr schlecht genutzt werden. Die starre Bauweise auf Basis keramischer Substrate verhindert eine möglichst optimale Wärmekopplung und bedingt so prinzipielle Verluste in der Wärmeübertragung. Damit ergibt sich regelmäßig ein für einen wirtschaftlichen Einsatz thermoelektrischer Module unzureichender Wirkungsgrad. The present invention is based, as a finding, on the fact that thermoelectric modules are manufactured in known devices on the basis of flat or plates by the individual thermoelectric generators are arranged as thermoelectric legs between two substrates in a rigid design. Due to the rigid construction of such thermoelectric modules, hot surfaces may e.g. from i.d.R. radially symmetric hot gas conducting components, such as e.g. Exhaust pipes, by reduced contact surfaces with external arrangement thermally only relatively poorly used. The rigid construction based on ceramic substrates prevents the best possible heat coupling and thus causes fundamental losses in the heat transfer. This results in a regular for an economical use of thermoelectric modules insufficient efficiency.

Zur Erhöhung der Flexibilität derartiger Vorrichtungen offenbart die WO 03/007391 A1 die Verwendung mindestens eines flexiblen Substrates aus der Stoffgruppe der Polyimide und Epoxy-Harze. Diese Auswahl beschränkt jedoch den thermischen Anwendungsbereich. US 6,700,052 B2 schlägt zu einer weiteren Steigerung der Flexibilität thermoelektrischer Vorrichtungen eine Sandwich-Struktur aus geschlitzten und/oder aufteilten Substraten vor. Die Schlitze schaffen senkrecht zu ihrer Ausdehnung jeweils eine verbesserte Biegsamkeit. To increase the flexibility of such devices discloses the WO 03/007391 A1 the use of at least one flexible substrate from the group of polyimides and epoxy resins. However, this choice limits the thermal field of application. US 6,700,052 B2 Proposes to further increase the flexibility of thermoelectric devices a sandwich structure of slotted and / or partitioned substrates. The slots create each perpendicular to their extent an improved flexibility.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art so weiterzubilden, dass sie wirtschaftlich und flexibel an einem hoch temperierten und/oder an einem heißgas- oder flüssigkeitsführenden Bauteil einsetzbar ist. The object of the present invention is to refine a device of the aforementioned type such that it can be used economically and flexibly on a high-temperature component and / or on a component carrying hot gas or liquid.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung sieht vor, thermoelektrische Generatoren derart bereit zu stellen, dass durch entsprechende Verformung eine direkte Integration um heißgas- oder flüssigkeitsführende Bauteile möglich ist, ohne dass ein Eingriff in diese Systeme selber erfolgen muss. Erfindungsgemäß werden thermoelektrische Module dabei nicht wie üblich starr auf einer ebenen, quadratischen Grundform hergestellt, sondern vielmehr soweit flexibel in dem Sinn aufgebaut, dass sie einer Oberflächenkontur anpassbar sind, die von der einer planen Fläche abweicht. Dies kann einerseits durch die Fixierung der thermoelektrischen Schenkel in einer temperaturstabilen, dämmenden und elektrisch nicht leitfähigen Matrix geschehen. Dabei ist das Material einer derartigen Matrix zumindest bei einem Einbau in dem vorstehend beschriebenen Maß flexibel. Zudem werden die thermoelektrischen Schenkel unter weitgehender Beibehaltung ihrer Flexibilität durch metallische Interconnects miteinander verschaltet. Es wird erfindungsgemäß also auf ein metallisches oder keramisches oder sonst wie beschaffenes Substrat verzichtet, da die Matrix selber für eine ausreichende mechanische Stabilität der im Vergleich zu vorstehend genannten bekannten TEG deutlich flexibler verformbaren Vorrichtung sorgt. Eine so erreichbare Flexibilität übertrifft also die Verformbarkeit bekannter Vorrichtungen und spart zudem Material für Substrate und dementsprechend Arbeitsschritte bei der Herstellung ein. Bei einer Herstellung können z.B. thermoelektrische Schenkel mit den metallischen Interconnects als Ketten nebeneinander liegend quasi vergossen werden, so dass sind durch die Matrix eine einstückige Vorrichtung ergibt. This object is achieved by the features of claim 1. The invention provides to provide thermoelectric generators such that a direct integration of hot gas or liquid-carrying components is possible by appropriate deformation, without any intervention in these systems must be made itself. According to the invention, thermoelectric modules are not manufactured as usual rigidly on a flat, square basic shape, but rather are built up so far flexible in the sense that they are adaptable to a surface contour which deviates from a flat surface. On the one hand, this can be achieved by fixing the thermoelectric legs in a temperature-stable, insulating and electrically non-conductive matrix. In this case, the material of such a matrix is flexible at least when installed in the measure described above. In addition, the thermoelectric legs are interconnected by largely retaining their flexibility through metallic interconnects. Thus, according to the invention, a metallic or ceramic or otherwise obtained substrate is dispensed with, since the matrix itself ensures sufficient mechanical stability of the device, which is significantly more flexible than the known TEG mentioned above. Thus achievable flexibility thus exceeds the deformability of known devices and also saves material for substrates and accordingly steps in the production. In a production, e.g. Thermoelectric legs with the metallic interconnects as chains lying next to each other quasi be shed, so that the result of the matrix is a one-piece device.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Demnach bilden vorzugsweise als metallische Interconnects dienende Blechstücke eine interne Verschaltung einzelner thermoelektrischer Schenkel zu einem thermoelektrischen Paar, das insbesondere unterschiedlich dotierte halbleitend wirkende Materialquader oder -Zylinderstücke umfasst. Diese Materialstücke der Schenkel weisen von ca. 1 bis etwa 3 mm Kantenlänge oder Durchmesser und etwa 2 bis zu ca. 5 mm Höhe auf. Advantageous developments are the subject of the dependent claims. Accordingly, metal pieces serving as metallic interconnects preferably form an internal interconnection of individual thermoelectric legs to a thermoelectric pair, which in particular comprises differently doped semiconducting material cubes or cylinder pieces. These pieces of material of the legs have from about 1 to about 3 mm edge length or diameter and about 2 to about 5 mm in height.

Bei gleichartigen Schenkeln ergibt sich eine Parallelschaltung mit höherem Stromfluss, bei Verwendung zweier Arten von Dotierungen werden die metallischen Interconnects zur Bildung von Serienschaltungen mit Erzeugung einer gegenüber einer Parallelschaltung vergleichsweise höheren Spannung eingesetzt. In diesem Sinne dienen die metallischen Interconnects einer Fixierung sowie einer elektrischen Verbindung der thermoelektrischen Schenkel, wobei eine Verbindung der thermoelektrischen Schenkel mit den metallischen Interconnects als Lötanbindung, Sinterverbindung unter Verwendung von Silbersinterpaste oder als Ultraschall-, Diffusions- oder Laserschweißverbindung ausgebildet sind. Zudem weisen in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die metallischen Interconnects zur Bereitstellung eines Längenausgleichs insbesondere im Zuge von Biege-Verformungen der Vorrichtung eine U-, V-, W-, Ω- oder eine sonstige wellen- oder sägezahnförmige Struktur auf, wobei die quadratischen oder kreisförmigen Kontaktoberflächen bzw. Stirnflächen der thermoelektrischen Schenkel mit Endbereichen der Schenkel dieser so speziell ausgeformten metallischen Interconnects verbunden werden. Dabei können die metallischen Interconnects weiter plan und eben in der jeweiligen Ebene der Stirnflächen der thermoelektrischen Schenkel liegen. Zudem können Sie aber auch zwischen den jeweils zu verbindenden metallischen Interconnects gewölbt oder quasi durchhängend verlaufend vorgeformt angeordnet und kontaktiert sein. For similar legs results in a parallel circuit with higher current flow, when using two types of dopants, the metallic interconnects are used to form series circuits with generation of a comparison with a parallel comparatively higher voltage. In this sense, the metallic interconnects serve a fixation and an electrical connection of the thermoelectric legs, wherein a compound of the thermoelectric legs with the metallic interconnects as Lötanbindung, sintered compound are formed using silver sintering paste or as an ultrasonic, diffusion or laser welding. In addition, in an advantageous development of the invention, the metallic interconnects for providing a length compensation, in particular in the course of bending deformations of the device on a U, V, W, Ω or other wave or sawtooth-shaped structure, wherein the square or circular contact surfaces or end faces of the thermoelectric legs are connected to end portions of the legs of these so specially shaped metallic interconnects. In this case, the metallic interconnects can continue to lie flat and precisely in the respective plane of the end faces of the thermoelectric legs. In addition, however, you can also be arranged and contacted between the metal interconnects to be connected in each case in a curved or semi-continuous manner.

Ferner werden thermoelektrische Einheiten der genannten Art in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Streifenform bzw. als Bänder bereitgestellt, wobei eine derartige kontinuierliche Fertigung auch automatisiert werden kann. Gemäß einer derartigen Ausführungsform lassen sich erfindungsgemäße thermoelektrische Einheiten vorteilhafterweise flexibel um bestehende Geometrien herum formen, insbesondere auch ideal um radialsymmetrische Bauteile herum, wie heiße Rohrleitungen. Furthermore, in a preferred embodiment of the invention, thermoelectric units of the type mentioned are provided in strip form or as bands, such continuous production also being able to be automated. According to such an embodiment, thermoelectric units according to the invention can advantageously be flexibly formed around existing geometries, in particular also ideally around radially symmetrical components, such as hot pipelines.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist um einen flexiblen thermoelektrischen bzw. TEG-Streifen herum eine streifenförmige Außenform mit integrierten Kühlkanälen angeordnet, so dass ein kombiniertes gekühltes thermoelektrisches Modul entsteht. Sowohl die thermoelektrische Einheit als auch die gekühlte Außenform können damit um entsprechende Bauteile, wie vorzugsweise heiße Fluide führende Rohre, gewickelt werden. In a further embodiment of the invention, a strip-shaped outer mold with integrated cooling channels is arranged around a flexible thermoelectric or TEG strip, so that a combined cooled thermoelectric module is produced. Both the thermoelectric unit and the cooled outer mold can thus be wound around corresponding components, such as pipes preferably carrying hot fluids.

Wenn ein TEG-Streifen in Umfangsrichtung herum auf ein entsprechend temperiertes Bauteil gewickelt bzw. gelegt wird, geht es dabei keine Verbindung mit dem Bauteil selber bzw. dessen Oberfläche ein. In Umfangsrichtung entsteht in Abhängigkeit einer jeweiligen Streifenlänge und eines Bauteil- bzw. Rohrdurchmessers eine Lücke bzw. offene Stelle, die in einer Ausführungsform der Erfindung genutzt wird, um die thermoelektrischen Einheiten elektrisch zu kontaktieren sowie an der Kaltseite Anschlussstellen mit einer externen Kühlung zu verbinden. Ferner wird diese Lücke bzw. dieser Spalt genutzt, um die gekühlte Außenform über einen geeigneten Mechanismus kraftschlüssig an dem temperierten Bauteil zu verspannen. Die kombinierten Module werden so einerseits fixiert und es wird andererseits auch ein stets ausreichender Anpressdruck auf die thermoelektrischen Einheiten zur Einstellung eines guten thermischen Kontakts ausgeübt. Diese Fixierung kann beispielsweise über eine Schrauben- oder eine Klemmverbindung erfolgen, die im Idealfall gefedert, federbelastet oder federelastisch ausgebildet ist, so dass auch unter veränderten thermischen Bedingungen der Komponenten und entsprechende thermische Dehnungen der Materialien stets ein gleichbleibender Anpressdruck im System gewährleistet wird. When a TEG strip is wound or placed around in the circumferential direction on a correspondingly tempered component, it is not connected to the component itself or its surface. In the circumferential direction arises in dependence on a respective strip length and a component or pipe diameter, a gap or open position, which is used in one embodiment of the invention to electrically contact the thermoelectric units and to connect at the cold side connection points with an external cooling. Furthermore, this gap or this gap is used to clamp the cooled outer shape by a suitable mechanism non-positively on the tempered component. On the one hand, the combined modules are fixed and, on the other hand, always sufficient contact pressure is exerted on the thermoelectric units for setting a good thermal contact. This fixation can be done for example via a screw or a clamp connection, which is ideally spring-loaded, spring-loaded or resilient, so that even under changed thermal conditions of the components and corresponding thermal expansions of the materials a constant contact pressure is always guaranteed in the system.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist an einer thermoelektrischen Vorrichtung eine auf einer Modulebene integrierte Kühlvorrichtung vorgesehen. Hierzu ist eine elektrisch gegenüber den Interconnects isolierte und von Kühlfluid durchströmte Außenschicht vorgesehen. Diese Ausführungsform wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen noch näher dargestellt. In one development of the invention, a cooling device integrated on a module level is provided on a thermoelectric device. For this purpose, an electrically insulated from the interconnects and flows through the cooling fluid outer layer is provided. This embodiment will be described in more detail below with reference to exemplary embodiments.

In einer weiteren Ausführungsform werden im Verhältnis zu einem Durchmesser eines betreffenden temperierten Gegenstandes längere thermoelektrische Streifen als Bänder mehrmals hintereinander und/oder parallel zueinander um den Gegenstand bzw. ein heißgasführende Rohr gewickelt und mit einer gekühlten Außenform ummantelt. Die Umwickelung einer längeren Rohrstrecke wird erreicht, indem das Band in einem Winkel abweichend von einer Senkrechten zu der Längsachse des radialsymmetrischen Bauteils gewickelt wird. Dieser Winkel hängt von der Breite des thermoelektrischen Streifens sowie dem Umfang des Bauteils ab. Es bildet sich eine grundsätzlich spiralförmige Abdeckung des temperierten Gegenstandes durch einen oder auch mehrere thermoelektrische Streifen. Prinzipiell können damit Endloswickelungen erreicht werden, die jedoch von der technischen Seite her betrachtet nicht grundsätzlich sinnvoll sind, da bei einer kleinen Defektstelle das komplette Modul ausfallen kann. Diese thermoelektrische Wickelung wird dann von einer länglich ausgebildeten gekühlten Außenform umfasst, die je nach Länge eine oder mehrere Möglichkeiten zur mechanischen Fixierung bietet, wie bereits vorstehend exemplarisch ausgeführt. In a further embodiment, longer thermoelectric strips than strips are wound several times in succession and / or parallel to each other around the article or a pipe carrying hot gas and coated with a cooled outer mold in relation to a diameter of a subject tempered object. The wrapping of a longer pipe run is accomplished by winding the belt at an angle other than perpendicular to the longitudinal axis of the radially symmetric component. This angle depends on the width of the thermoelectric strip and the circumference of the component. A basically spiral-shaped covering of the temperature-controlled object is formed by one or more thermoelectric strips. In principle, this endless wraps can be achieved, but from the technical point of view, not fundamentally useful, as in a small Defect the entire module may fail. This thermoelectric winding is then comprised of an elongated cooled outer mold, which offers one or more possibilities for mechanical fixation depending on the length, as already exemplified above.

Die gekühlten Außenformen können durch eine geeignete Wahl von Werkstoffen und/oder Geometrien in beiden Ausführungsformen derart gestaltet werden, dass die an der thermoelektrischen Einheit anliegenden Oberflächen entweder starr, jedoch biegsam oder aber komplett flexibel formbar sind. Beide Ausführungsformen können zu einem beliebigen Zeitpunkt aufgebracht werden, insbesondere auch zur Nachrüstung bestehender Systeme. Grundsätzlich ist jedoch auch die Nutzung geschlossener gekühlter Außenformen denkbar, um auch kleine parasitäre Wärmeflüsse zu verhindern. Damit ist allerdings grundsätzlich nur noch der Aufbau vormontierter Systeme denkbar, die dann z.T. mit einem Gesamtsystem integral verbunden werden müssen. The cooled outer molds can be designed by a suitable choice of materials and / or geometries in both embodiments such that the surfaces adjacent to the thermoelectric unit surfaces are either rigid, but flexible or completely flexible formable. Both embodiments can be applied at any time, in particular also for retrofitting existing systems. In principle, however, the use of closed cooled outer forms is conceivable to prevent even small parasitic heat fluxes. However, this basically only the construction of pre-assembled systems is conceivable, which then z.T. must be integrally connected to an overall system.

In beiden Ausführungsformen ist neben der Anbindung in einen flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf auch jede andere Form der Kühlung denkbar. Insbesondere eine Kühlung durch kaltseitig als Außenform aufgebrachte Peltier-Elemente, die mit einem Teil der elektrischen Energie aus der Vorrichtung selber gespeist werden, kann interessant sein. Auf diese Weise können komplett autarke thermoelektrische Gesamtsysteme aufgebaut werden, die sich selbst kühlen und je nach Werkstoffsystem oder Modulbauart dennoch elektrische Leistung abführen. In both embodiments, in addition to the connection in a liquid-based cooling circuit and any other form of cooling is conceivable. In particular, cooling by Peltier elements which are applied on the cold side as an outer mold and which are supplied with a part of the electrical energy from the device itself may be of interest. In this way, completely self-sufficient thermoelectric systems can be built that cool themselves and still dissipate electrical power depending on the material system or modular design.

Durch einen nun gegenüber bekannten Vorrichtungen deutlich intensivierten Oberflächenkontakt sind erfindungsgemäße thermoelektrische Einheiten auch wesentlich höheren Temperaturen von bis zu ca. 1.100 °C ausgesetzt. Damit scheiden auch viele aktuell für den Aufbau thermoelektrischer Schenkel verwendete Materialien aus, wie z.B. das nur bis ca. 250° C einsetzbare Bi₂Te₃. Auf den Einsatz von Blei als Bestandteil von thermoelektrischen Generatoren soll dagegen ganz verzichtet werden. By now compared to known devices significantly intensified surface contact thermoelectric devices according to the invention are exposed to much higher temperatures of up to about 1,100 ° C. This also eliminates many materials currently used for the construction of thermoelectric legs, such as the usable only up to about 250 ° C Bi ₂ Te ₃ . In contrast, the use of lead as a component of thermoelectric generators should be dispensed with altogether.

Anstelle der genannten Substanzen werden in erfindungsgemäßen Weiterbildungen mit Halb-Heusler-Verbindungen, Skutteruditen, Sinterwerkstoffen aus Magnesium-, Mangan-, Zink-Oxiden und/oder Siliciden, wie z.B. MgSi, MnSi, SiGe mit Dotierung z.B. mit Antimon alternative neue Stoffe für die Bildung thermoelektrischer Generatoren verwendet. Diese erfindungsgemäß in Form kleiner Quader oder Zylinder eingesetzten Materialien sind zwar spröde und damit selber nicht so flexibel, um einer Außenkontur eines temperierten Bauteils angepasst werden zu können. In einem vorstehend beschriebenen Aufbau hat sich jedoch herausgestellt, dass sich unter Beibehaltung der elektrischen Verbindungen zwischen den Substraten bzw. deren leitfähigen Beschichtungen in Form von Interconnects und den thermoelektrischen Schenkeln auch im Zuge entsprechender Verformungen nicht trennen bzw. unterbrechen. Instead of the substances mentioned in embodiments of the invention with half-Heusler compounds, Skutteruditen, sintered materials of magnesium, manganese, zinc oxides and / or silicides, such. MgSi, MnSi, SiGe with doping e.g. used with antimony alternative new materials for the formation of thermoelectric generators. Although these materials according to the invention in the form of small cuboid or cylinder are brittle and therefore not so flexible themselves to be able to be adapted to an outer contour of a tempered component. In a structure described above, however, it has been found that while maintaining the electrical connections between the substrates or their conductive coatings in the form of interconnects and the thermoelectric legs do not disconnect or interrupt even in the course of appropriate deformations.

Vorzugsweise sind alle Zwischenräume zwischen den einzelnen thermoelektrischen Schenkeln durch eine elektrisch und thermisch isolierende Matrix ausgefüllt, die aus einem geeigneten Hochtemperaturwerkstoff gebildet ist. Ein derartiger Hochtemperaturwerkstoff ist insbesondere ein Gemisch mineralischer Fasern und/oder Pulver auf einer Silikatbasis oder einem Aerogel. Ferner weist die Matrix an mindestens einer der Längsseiten Überlappungs-Nasen auf, die insbesondere zur Verminderung der Ausbildung thermischer Brücken sowie parasitärer Wärmeverluste entlang eines Spaltes bzw. einer Fuge dienen. Das wird vorzugsweise bei Applikation eines Streifens oder Bandes verwendet, zeigt aber auch bei angrenzender Anordnung mehrerer gegenüber einer Ebene verformbarer flächiger TEGs entsprechende Vorteile. Preferably, all spaces between the individual thermoelectric legs are filled by an electrically and thermally insulating matrix, which is formed from a suitable high-temperature material. Such a high temperature material is in particular a mixture of mineral fibers and / or powder on a silicate basis or an airgel. Furthermore, the matrix has overlapping lugs on at least one of the longitudinal sides, which serve in particular for reducing the formation of thermal bridges and parasitic heat losses along a gap or a joint. This is preferably used when applying a strip or tape, but also shows corresponding advantages in the adjacent arrangement of several flat TEGs that can be deformed relative to a plane.

Wesentliche Vorteile von Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung liegen damit in einer praxisnahen Möglichkeit zur Integration thermoelektrischer Systeme, die sich insbesondere durch einen sehr geringen systemspezifischen Auslegungsaufwand auszeichnet. Die Energierückgewinnung auf thermoelektrischem Weg wird damit neben den technischen Aspekten einer deutlich reduzierten technischen Komplexität durch die Steigerung des Wirkungsgrades auch von wirtschaftlicher Seite attraktiver. Significant advantages of devices according to the present invention thus lie in a practical possibility for the integration of thermoelectric systems, which is characterized in particular by a very low system-specific design effort. The energy recovery on the thermoelectric route is thus more attractive from the economic side, besides the technical aspects of a significantly reduced technical complexity, by increasing the efficiency.

Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung: Further features and advantages of embodiments according to the invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments with reference to the drawing. Therein show in a schematic representation:

1: eine perspektivische Ansicht eines temperierten Gegenstandes mit einem thermoelektrischen Streifen in einer Ausführungsform nach Art einer Manschette oder Rohrklemme; 1 a perspective view of a tempered article with a thermoelectric strip in a cuff or pipe clamp embodiment;

2: eine seitliche Draufsicht auf die Ausführungsform nach 1; 2 : A side elevational view of the embodiment according to 1 ;

3: eine vergrößerte Darstellung eines Schnitts in der Ebene A-A von 2; 3 : An enlarged view of a section in the plane AA of 2 ;

4: eine perspektivische Ansicht eines temperierten Gegenstandes mit einem thermoelektrischen Streifen in spiralförmiger Umwicklung; 4 a perspective view of a tempered article with a thermoelectric strip in a spiral wrapping;

5: eine vergrößerte Darstellung eines Querschnitts des thermoelektrischen Streifens gemäß 4 und 5 FIG. 4 is an enlarged view of a cross section of the thermoelectric strip according to FIG 4 and

6: eine vergrößerte Darstellung einer Draufsicht auf eine Vorrichtung mit einer alternativen Ausführungsform eines metallischen Interconnects als Ausschnitt. 6 : An enlarged view of a plan view of a device with an alternative embodiment of a metallic interconnect as a detail.

Über die verschiedenen Abbildungen und Ausführungsbeispiele hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Throughout the various figures and embodiments, the same reference numerals are always used for the same elements.

In einer perspektivischen Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 ist in 1 ein Abschnitt eines Bauteils 2 zur Führung heißer Gase dargestellt, insbesondere handelt es sich hierbei um einen Abschnitt aus einer Abgasleitung des Kraftfahrzeugs. Auf dem Rohr 2 ist mindestens in einem durch die Vorrichtung 1 überdeckten Abschnitt eine thermisch leitende und elektrisch isolierende Beschichtung 3 angeordnet. Durch diese Schicht 3 vom Außenmaterial des Rohrs 2 elektrisch getrennt, ist die thermoelektrisch wirkende Vorrichtung 1 nach Art einer Rohrschelle angeordnet. Die Vorrichtung 1 umfasst eine dem Rohr 2 zugewandten Warmseite 4, auf der hier zeichnerisch nicht dargestellte elektrisch leitende metallische Interconnects angeordnet sind, über die im Wesentlichen quaderförmig ausgebildete thermoelektrische Schenkel 5 mit Interconnects einer Kaltseite 6 verbunden sind. Die Kaltseite 6 steht hier über eine thermisch leitende und elektrisch isolierende Beschichtung 7 gegenüber den thermoelektrischen Schenkeln 5 bzw. den Interconnects isoliert mit einem hochtemperaturbeständigen Edelstahlblech 8 in Kontakt. In a perspective view of a first embodiment of a device 1 is in 1 a section of a component 2 shown for guiding hot gases, in particular, this is a section of an exhaust pipe of the motor vehicle. On the pipe 2 is at least in one through the device 1 covered portion of a thermally conductive and electrically insulating coating 3 arranged. Through this layer 3 from the outer material of the pipe 2 electrically isolated, is the thermoelectric device acting 1 arranged in the manner of a pipe clamp. The device 1 includes a tube 2 facing warm side 4 , are arranged on the drawing here, not shown electrically conductive metallic interconnects, on the substantially cuboid thermoelectric legs 5 with interconnects of a cold side 6 are connected. The cold side 6 here is a thermally conductive and electrically insulating coating 7 opposite the thermoelectric legs 5 or the interconnects isolated with a high temperature resistant stainless steel sheet 8th in contact.

In 1 sind zwischen den einzelnen thermoelektrischen Generatoren 5 Zwischenräume 9 erkennbar. Diese Zwischenräume 9 sind in nicht weiter dargestellter Art und Weise durch eine elektrisch und thermisch isolierende Matrix 10 ausgefüllt bzw. mit deren Material vergossen oder verfüllt. Hierdurch wird insbesondere ein parasitärer Wärmeübergang durch thermische Strahlung soweit als möglich unterbunden. Ein Wärmetransport findet damit zwischen der Warmseite 4 und der Kaltseite 6 im Wesentlichen nur über die thermoelektrischen Schenkel 5 statt. Zudem bildet die Matrix 10 eine Struktur, die der dargestellten Vorrichtung 1 aus thermoelektrischen Schenkeln 5 und den jeweils zugehörigen und für eine Verschaltung beidseitig der thermoelektrischen Schenkel 5 erforderlichen Interconnects einen zumindest bis zu einem Einbau der Vorrichtung 1 erforderlichen mechanischen Zusammenhalt bei gleichzeitig neuartiger Flexibilität gibt. In 1 are between each thermoelectric generator 5 interspaces 9 recognizable. These spaces 9 are in a manner not shown by an electrically and thermally insulating matrix 10 filled or shed with their material or filled. As a result, in particular a parasitic heat transfer by thermal radiation is prevented as much as possible. A heat transfer thus takes place between the hot side 4 and the cold side 6 essentially only via the thermoelectric legs 5 instead of. In addition, the matrix forms 10 a structure that of the illustrated device 1 from thermoelectric legs 5 and the respective associated and for an interconnection on both sides of the thermoelectric legs 5 required interconnects one at least until installation of the device 1 required mechanical cohesion at the same time novel flexibility.

An der Kaltseite 6 läuft im Bereich eines durch die Vorrichtung 1 in Längsrichtung verlaufenden Schlitzes 11 in einen Flansch 12 aus. Dieser Flansch 12 dient in dem vorliegenden Beispielfall durch Verschraubungen 13 einer Fixierung der Vorrichtung 1 über dem Rohrstück 2. Durch die Verschraubung 13 wird an dem Flansch 12 eine federelastische Verspannung erreicht, die als Anpresskraft einen stets ausreichenden thermischen Kontakt zwischen der Vorrichtung 1 und dem temperierten Gegenstand 2 über einen gesamten Betriebstemperaturbereich hinweg sicherstellt, wobei unterschiedliche thermische Ausdehnungen der beteiligten Materialien berücksichtigt sind. On the cold side 6 runs in the area of one through the device 1 longitudinally extending slot 11 in a flange 12 out. This flange 12 serves in the present example case by screwing 13 a fixation of the device 1 over the pipe section 2 , Through the screw connection 13 is on the flange 12 achieves a resilient tension, as the contact pressure always sufficient thermal contact between the device 1 and the tempered object 2 ensures over a whole operating temperature range, taking into account different thermal expansions of the materials involved.

An der Kaltseite 6 der Vorrichtung 2 sind auf dem Edelstahlblech 8 Kühlkanäle 14 angeordnet, die im Bereich der Flansche 12 in der durch Pfeile dargestellten Art und Weise durch ein Fluid eines bereits vorhandenen Kühlkreislaufes durchflossen werden, um zusätzliche Wärme von der Kaltseite 6 der Vorrichtung 1 abzutransportieren. Ferner sind im Bereich der Flansche 12 auch elektrische Kontakte in nicht weiter dargestellten Art und Weise angeordnet, um die sich zwischen der Kaltseite 6 und der Warmseite 4 der Vorrichtung 1 im Zuge der thermoelektrischen Vorgänge aufbauende Spannung für eine nachfolgende Nutzung abnehmen zu können. On the cold side 6 the device 2 are on the stainless steel sheet 8th cooling channels 14 arranged in the area of the flanges 12 are traversed in the manner shown by arrows through a fluid of an existing cooling circuit to additional heat from the cold side 6 the device 1 evacuate. Further, in the area of flanges 12 Also arranged electrical contacts in a manner not shown, to which between the cold side 6 and the warm side 4 the device 1 in the course of the thermoelectric processes building up voltage for a subsequent use to be able to decrease.

2 zeigt die Ausführungsform nach 1 in einer seitlichen Ansicht. Über eine Länge L der Vorrichtung 1 sind in diesem Ausführungsbeispiel drei Kühlkanäle 14 vorgesehen. Die elektrische Isolation in Form der thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Beschichtung 3 auf dem temperierten Gegenstand 2 ist aus Sicherheitsgründen etwas länger als eine gesamte Länge L der Vorrichtung 1 gewählt worden. In der durch die gestrichelten Linien angedeuteten Art und Weise könnte diese manschettenartige Vorrichtung auch in Form mehrerer einzelner Streifen 15 gebildet und einer jeweils verfügbaren Länge eines Rohrs 2 entsprechend flexibel erweitert werden. Eine Verschraubung oder sonstige Fixierung durch Klemmung kann nach Wahl eines Fachmanns in unterschiedlicher Weise erfolgen. 2 shows the embodiment according to 1 in a side view. Over a length L of the device 1 are three cooling channels in this embodiment 14 intended. The electrical insulation in the form of the thermally conductive and electrically insulating coating 3 on the tempered object 2 For safety reasons, it is slightly longer than an entire length L of the device 1 has been chosen. In the manner indicated by the dashed lines, this cuff-like device could also be in the form of several individual strips 15 formed and a respective available length of a pipe 2 be flexibly expanded accordingly. A screw or other fixation by clamping can be done at the choice of a professional in different ways.

3 ist eine vergrößerte Darstellung eines Schnitts in der Ebene A-A von 2. Über die vorstehende Beschreibung des Aufbaus von einer Rohroberfläche des temperierten Körpers 2 bis zu den Kühlkanälen 14 hin ist anhand der vergrößerten Abbildung erkennbar, dass die thermoelektrischen Schenkel 5 miteinander über metallische Interconnects 16 nach Art einer Kette elektrisch leitend verbunden sind. Benachbarte thermoelektrische Schenkel 5 werden in dieser Kette wechselseitig miteinander verbunden. 3 is an enlarged view of a section in the plane AA of 2 , About the above description of the structure of a pipe surface of the tempered body 2 up to the cooling channels 14 can be seen from the enlarged figure that the thermoelectric legs 5 with each other via metallic interconnects 16 are electrically connected in the manner of a chain. Adjacent thermoelectric legs 5 are mutually connected in this chain.

Zudem sind in der Darstellung von 3 die Zwischenräume 9 zwischen den thermoelektrischen Schenkel 5 soweit erkennbar, dass deren Möglichkeiten zu einer parasitären thermischen Leitung bzw. Wärmeabfuhr durch Strahlung im Vergleich zu einer Ableitung durch die thermoelektrischen Schenkel 5 verständlich ist. Diese Zwischenräume 9 sind daher zur weitgehenden Minderung parasitärer Effekte durch die thermisch dämmende und elektrisch nicht leitfähige Matrix 10 gefüllt. Zu beachten ist außerdem, dass einige der eingangs genannten neuartigen Werkstoffe gegen Umwelteinflüsse gekapselt werden sollten, entweder auf Modulebene durch ein dichtes Edelstahlgehäuse oder auf Werkstoffebene, wie hier durch Einbettung in die Matrix 10 eines geeigneten Hochtemperaturwerkstoffs. Diese notwendige Kapselung erfolgt hier also über eine Verfüllung der Zwischenräume 9 mit einer entsprechend ausgebildeten Matrix 10. In addition, in the presentation of 3 the gaps 9 between the thermoelectric legs 5 as far as recognizable, that their possibilities for a parasitic thermal conduction or heat dissipation by radiation in comparison to a derivative by the thermoelectric legs 5 is understandable. These spaces 9 are therefore largely mitigating parasitic effects by the thermally insulating and electrically non-conductive matrix 10 filled. It should also be noted that some of the novel materials mentioned above should be encapsulated against environmental influences, either at the module level through a dense stainless steel housing or at the material level, as here embedded in the matrix 10 a suitable high-temperature material. This necessary encapsulation takes place here via a backfilling of the interstices 9 with a suitably trained matrix 10 ,

Der vorstehend beschriebene Aufbau zwischen der Warmseite 4 und der Kaltseite 6 weist eine Schichtdicke von ca. 5 mm auf, wobei quaderförmige TEG-Schenkel 5 vorzugsweise mit Maßen von 2,5·2,5·3 mm verwendet werden. Gefertigt werden Platten in den Maßen von ca. 40·40 mm mit mehreren parallel zueinander liegenden und über metallische Interconnects 16 kettenartig und im Wesentlichen linear miteinander verbundener thermoelektrischer Schenkel 5. Erst durch das Einbetten dieser Kettenstränge in die Matrix 10 wird in diesem Ausführungsbeispiel eine zusammenhängende Vorrichtung 1, aus der dann durch Biegen auch ein thermoelektrischer Generator nach Art einer vorstehend beschriebenen Rohrschelle hergestellt wird. Dabei weisen bekannte Abgasrohre einen Durchmesser von mindestens 40 mm auf, was ohne weitere Berücksichtigung des Spalts 11 im Bereich des Flansches 12 zu einem Umfang von ca. 126 mm führt. The structure described above between the hot side 4 and the cold side 6 has a layer thickness of about 5 mm, with cuboid TEG legs 5 preferably with dimensions of 2.5 x 2.5 x 3 mm. We produce panels measuring approx. 40 x 40 mm with several parallel and metallic interconnects 16 chain-like and substantially linearly interconnected thermoelectric leg 5 , Only by embedding these chain strands in the matrix 10 becomes in this embodiment a coherent device 1 , from which then by bending, a thermoelectric generator is produced in the manner of a pipe clamp described above. In this case, known exhaust pipes have a diameter of at least 40 mm, which without further consideration of the gap 11 in the area of the flange 12 leads to a circumference of about 126 mm.

Eine Fertigung als Endlosmaterial in Form eines dünneren Streifens 15 von ca. 2 mm bis etwa 50 mm Breite stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel dar. Bei größeren Breiten eines Streifens oder Bandes 15 sind stets mehr als eine Reihe von quaderförmigen und über Interconnects elektrisch linear miteinander verbundener TEG-Schenkel 5 in einer Anordnung parallel zueinander sowie zu einer Längsachse des Streifens 15 vorgesehen. Generell können Vorrichtungen 1 der vorstehend beschriebenen Art statt in einer planen Bauform bereits mit einer Vorkrümmung einer späteren Einsatzbedingung ungefähr entsprechend hergestellt werden. In einer Anwendung können derartige Steifen bzw. Bänder als Vorrichtung 1 z.B. in spiralförmiger Wicklung mit endseitiger Fixierung und/oder federelastische Fixierung und einem mindestens punktuellen Andruck an einem ausreichend temperierten Bauteil 2 nachgerüstet werden. Eine federelastische Kühlmanschette dient in einer zeichnerisch nicht weiter dargestellten Ausführungsform zur Verbesserung der Wärmeabfuhr durch Konvektion, als auch einer sicheren Fixierung bei im Wesentlichen sogar flächiger Anpressung der Vorrichtung 1 auf das betreffende Bauteil 2. Eine Kontaktierung erfolgt in jedem Fall in einer dem Fachmann bekannten Art und Weise hier regelmäßig wieder an Endbereichen eines Streifens 15. A production as continuous material in the form of a thinner strip 15 from about 2 mm to about 50 mm wide represents another embodiment. For larger widths of a strip or tape 15 are always more than a series of parallelepiped and electrically interconnected via interconnects TEG legs 5 in an array parallel to one another and to a longitudinal axis of the strip 15 intended. Generally, devices can 1 of the type described above, instead of being produced in a planar design already approximately with a pre-curvature of a later operating condition. In one application, such strips may be used as a device 1 For example, in a spiral winding with end-side fixation and / or resilient fixation and an at least selective pressure on a sufficiently tempered component 2 be retrofitted. A spring-elastic cooling sleeve is used in an illustrative embodiment not shown to improve the heat dissipation by convection, as well as a secure fixation at substantially even surface contact pressure of the device 1 on the component concerned 2 , A contacting takes place in any case in a manner known to those skilled here again regularly at end portions of a strip 15 ,

Die Abbildung von 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines temperierten Gegenstandes 2 wiederum in Form eines Rohrstücks mit einer Vorrichtung 1 in Form eines thermoelektrischen Streifens 15 in spiralförmiger Umwicklung. Hier umfasst der Streifen 15 drei parallel zueinander liegende Reihen von quaderförmigen TEG-Elementen bzw. Schenkel 5, die über metallische Interconnects 16 unter Lötanbindung wechselseitig miteinander elektrisch verbunden und durch das Material der Matrix 10 weitgehend dicht und damit vor Umgebungseinflüssen geschützt umschlossen sind. So wird eine streifenförmige Einheit gebildet. Im Verhältnis zu einem Durchmesser eines temperierten Rohrs 2 ist diese thermoelektrisch wirkende Streifen 15 wesentlich länger, so dass er nun als Band mehrmals hintereinander um das heißgasführende Rohr 2 gewickelt ist. Auch sind andere Wicklungsarten mit zwei oder drei parallellaufenden Streifen 15 möglich, der Einfachheit halber aber hier nicht zeichnerisch dargestellt. The picture of 4 shows a perspective view of a tempered object 2 again in the form of a piece of pipe with a device 1 in the form of a thermoelectric strip 15 in spiral wrapping. Here the strip includes 15 three mutually parallel rows of cuboid TEG elements or legs 5 that have metallic interconnects 16 under solder connection mutually electrically connected to each other and through the material of the matrix 10 are largely sealed and thus protected from environmental influences. Thus, a strip-shaped unit is formed. In relation to a diameter of a tempered tube 2 is these thermoelectric acting stripes 15 much longer, so that he now as a band several times in succession to the hot gas pipe 2 is wound. Also, other types of winding with two or three parallel stripes are 15 possible, but not shown here for simplicity's sake.

Diese Vorrichtung 1 kann ebenfalls mindestens an Endbereichen eine Fixierung in Form einer Schraub- oder Klemmverbindung aufweisen, die zum Ausgleich thermischer Spannung vorzugweise gefedert, federbelastet oder federelastisch ausgebildet ist, wie dem Fachmann bekannt ist. Zudem ist der Streifen 15 unter elektrischer Isolation mit einer gekühlten Außenform ummantelt, wie nachfolgend im Detail auch unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch beschrieben wird. This device 1 may also have at least at end portions a fixation in the form of a screw or clamp connection, which is preferably spring-loaded to compensate for thermal stress, spring-loaded or resilient, as is known in the art. In addition, the strip 15 encased under electrical insulation with a cooled outer shape, as will be described in detail below with reference to the drawings.

Die Matrix 10 auf einer Silikatbasis, oder wahlweise durch bestimmte Aerogele oder Mischungen auf Wasserglasbasis mit mineralischen Füllern insbesondere in Faser- oder Pulverform gebildet, weist in diesem Ausführungsbeispiel darüber hinaus eine Überlappungs-Nase 17 an mindestens einer Längsseite 18, 19 des Streifens 15 auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind Überlappungs-Nasen 17 an beiden Längsseiten 18, 19 des Streifens 15 vorgesehen, die einen Spalt bzw. eine Fuge 20 einer jeweiligen Wicklung zu einer jeweils vorangehenden Windung weitgehend schließen. Dazu ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung an der Längsseite 18 des Streifens die Überlappungs-Nase 17 so ausgebildet, dass sie an die Warmseite 4 angrenzend die thermisch leitende und elektrisch isolierende Beschichtung 3 des temperierten Rohrs 2 abdeckt und sich zur Kaltseite 6 hin verjüngt. Damit wird eine rampenartige Abschlusskontur gebildet, die bei einer anschließenden Windung des Streifens 15 durch eine im Wesentlichen punktsymmetrisch ausgebildete Überlappungs-Nase 17 an der Längsseite 19 des Streifens 15 bei gewissem Toleranzausgleich unter Bildung einer im Wesentlichen ebenen Oberfläche überdeckt wird. So werden thermische Brücken und parasitäre Wärmeverluste an den Längsseiten 18, 19 des Streifens 15 bis in einen im Wesentlichen durch das Material der Matrix 10 begrenzte Einsatztemperaturbereich von ca. 500°C vermindert. Da hier nur ein prinzipieller Aufbau dargestellt ist, kann eine konkrete Ausgestaltung derartige Überlappungs-Nasen 17 den jeweiligen Anforderungen eines Anwendungsfalls entsprechend angepasst werden, insbesondere um eine bessere Packungsdichte insbesondere bei langen Rohrwegen und damit eine bessere elektrische Ausbeute zu erzielen. The matrix 10 on a silicate basis, or optionally formed by certain aerogels or mixtures based on water glass with mineral fillers, especially in fiber or powder form, in this embodiment also has an overlapping nose 17 on at least one longitudinal side 18 . 19 of the strip 15 on. In this embodiment, overlapping tabs are 17 on both sides 18 . 19 of the strip 15 provided that a gap or a joint 20 Close a respective winding to a respective preceding turn largely. For this purpose, in the present embodiment of the invention on the longitudinal side 18 of the strip the overlap nose 17 designed to be on the warm side 4 adjacent the thermally conductive and electrically insulating coating 3 of the tempered tube 2 covers and turns to the cold side 6 rejuvenated. Thus, a ramp-like final contour is formed, which in a subsequent turn of the strip 15 by a substantially point-symmetrically formed overlapping nose 17 on the long side 19 of the strip 15 is covered with a certain tolerance compensation to form a substantially flat surface. So are thermal bridges and parasitic heat losses on the long sides 18 . 19 of the strip 15 into one essentially through the material of the matrix 10 limited Use temperature range of about 500 ° C reduced. Since only a basic structure is shown here, a concrete embodiment of such overlapping noses 17 adapted to the particular requirements of a particular application, in particular to achieve a better packing density, especially for long pipe routes and thus a better electrical yield.

5 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Querschnitts des thermoelektrischen Streifens 15 gemäß 4. Der Querschnitt dieser Ausführungsform weist eine näherungsweise als Parallelogramm ausgebildete Außenkontur auf, wobei an den Längsseiten 18, 19 punktsymmetrisch zueinander ausgerichtete Überlappungs-Nasen 17 aus dem Material der Matrix 10 vorgesehen sind. Beim Aufeinanderlegen benachbarter Windungen der Wicklung wird das zumindest bei der Montage noch weiche Material der Matrix 10 leicht verformt, so dass eine thermisch weitgehend abgedichtete Fuge zwischen den Windungen der Kaltseite 6 erkennbar ist. 5 shows an enlarged view of a cross section of the thermoelectric strip 15 according to 4 , The cross section of this embodiment has an approximately parallelogram formed outer contour, wherein on the longitudinal sides 18 . 19 point-symmetrically aligned overlapping noses 17 from the material of the matrix 10 are provided. When juxtaposing adjacent turns of the winding, the material which is still soft at least during assembly becomes the matrix 10 slightly deformed, leaving a thermally largely sealed gap between the turns of the cold side 6 is recognizable.

Die Kaltseite 6 ist über die Schicht 7 elektrisch gegenüber dem Edelstahlblech-Band 8 isoliert, das als mechanischer Schutz und zur Verbesserung der Wärmeabfuhr dient. Zur Steigerung der Wärmeabfuhr sind in der Ausführungsform der 4 und 5 auf dem Edelstahlblech-Band 8 zwei Kühlkanäle 14 aufgebracht, die durch ein Fluid durchströmt werden. Damit kann diese Vorrichtung 1 über nicht weiter dargestellte endseitige Anschlüsse beispielsweise an ein in einem Kraftfahrzeug grundsätzlich vorhandenes Kühlsystem angeschlossen werden. Der vorstehend beschriebene Außenschicht bzw. der äußere Mantel ist hier einstückig mit dem Streifen 15 verbunden, kann alternativ aber auch als Wicklung oder Manschette nachgerüstet werden. The cold side 6 is over the layer 7 electrically opposite the stainless steel sheet band 8th isolated, which serves as a mechanical protection and to improve the heat dissipation. To increase the heat dissipation in the embodiment of the 4 and 5 on the stainless steel sheet band 8th two cooling channels 14 applied, which are flowed through by a fluid. So this device can 1 be connected via not shown end-side connections, for example, to a motor vehicle in a basically existing cooling system. The outer layer or the outer jacket described above is here integral with the strip 15 connected, but can alternatively be retrofitted as a winding or sleeve.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, eine Kühlung durch auf der Kaltseite 6 aufgebrachte Peltier-Elemente vorzusehen. Die Peltier-Elemente werden in dieser zeichnerisch auch nicht weiter darstellten Ausführungsform mit einem Teil der aus den thermoelektrischen Schenkeln 5 gewonnenen elektrischen Energie gespeist. So kann diese Kühlung auch völlig autark arbeiten. Alternatively or additionally, it is possible to have a cooling through on the cold side 6 provide applied Peltier elements. The Peltier elements are in this drawing also not shown embodiment with a part of the thermoelectric legs 5 fed electrical energy. So this cooling can work completely self-sufficient.

6 zeigt schließlich eine vergrößerte Darstellung einer Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform eines metallischen Interconnects 16. Hier werden Stirnflächen 21 zweier zylindrisch ausgebildeter thermischer Schenkel 5 durch den im Wesentlichen U- oder bogenförmig und plan in der Ebene der Stirnflächen 21 verlaufenden metallischen Interconnect 16 miteinander elektrisch verbunden, wobei dieser Bogen zwischen den hier exemplarisch durch Laserverschweißung hergestellten Verbindungen 22 einen Längenausgleich 23 insbesondere bei Biege-Verformungen darstellt, aber auch thermischen Dehnungen. 6 Finally, an enlarged view of a plan view of an alternative embodiment of a metallic interconnect 16 , Here are faces 21 two cylindrically formed thermal limb 5 by the essentially U-shaped or arcuate and plan in the plane of the end faces 21 extending metallic interconnect 16 electrically connected to each other, said arc between the compounds here exemplified by laser welding 22 a length compensation 23 especially in bending deformations represents, but also thermal strains.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Vorrichtung contraption
2 2: heiße Gase oder Flüssigkeiten führendes Bauteil/Rohr hot gases or liquids leading component / pipe
3 3: thermisch leitende und elektrisch isolierende Beschichtung thermally conductive and electrically insulating coating
4 4: Warmseite warm side
5 5: thermoelektrischer Schenkel thermoelectric leg
6 6: Kaltseite cold side
7 7: elektrisch isolierende Beschichtung / Schicht electrically insulating coating / layer
8 8th: hochtemperaturbeständiges Edelstahlblech high temperature resistant stainless steel sheet
9 9: Zwischenraum gap
10 10: dämmende und elektrisch nicht leitfähige Matrix als Füllung für Zwischenräume u.a.insulating and electrically nonconductive matrix as filling for spaces u.a.
11 11: Schlitz / Spalt Slot / gap
12 12: Flansch flange
13 13: Klemmverbindung / Verschraubung Clamp connection / screw connection
14 14: Kühlkanal cooling channel
15 15: Abschnitt, einzelner Streifen Section, single strip
16 16: metallischer Interconnect metallic interconnect
17 17: Überlappungs-Nase Overlap nose
18 18: Längsseite des Steifens Longitudinal side of the stiffener
19 19: Längsseite des Steifens Longitudinal side of the stiffener
20 20: Spalt / Fuge Gap / gap
21 21: Stirnfläche face
22 22: Verbindung connection
23 23: Längenausgleich bzw. Längenausgleichsstück Length compensation or length compensation piece

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008038985 A1 [0002]
WO 03/007391 A1 [0005]
US 6700052 B2 [0005]

Claims

Contraption ( 1 ) for the electrical conversion of thermal energy to a hot gas or liquid component ( 2 ) is arranged, in particular for the recovery of energy from exhaust gases of combustion units, wherein the thermoelectric generators or legs ( 5 ) between a hot side ( 4 ) and a cold side ( 6 ), characterized in that the device ( 1 ) for adaptation to the respective component ( 2 ) is formed to corresponding deformations by - a fixation of the thermoelectric legs ( 5 ) in a flexible, temperature-stable, insulating and electrically non-conductive matrix (at least during installation) ( 10 ) and - an interconnection of the thermoelectric legs ( 5 ) while retaining their flexibility through metallic interconnects ( 16 ).

Device according to the preceding claim, characterized in that a metallic interconnect ( 16 ) in the form of a metallic sheet metal piece a mechanical fixation and electrical connection of thermoelectric legs ( 5 ), wherein a compound of the end faces ( 21 ) of the thermoelectric leg ( 5 ) with the metallic interconnect ( 16 ) is designed as a solder connection, as a sintered connection preferably using silver sintering paste, or as an ultrasonic, diffusion or laser welding connection.

Device according to the preceding claim, characterized in that the metal interconnects ( 16 ) a length compensation ( 23 ) in the form of a U, V, W, Ω or any other wave or sawtooth-shaped structure and in particular plan and just in the respective plane of the end faces ( 21 ) of the thermoelectric leg ( 5 ) lie.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 1 ) as a thermoelectric unit in the form of a strip ( 15 ) or as a band.

Device according to the preceding claim, characterized in that around a flexible thermoelectric strip ( 15 ) around a strip-shaped outer shape with integrated cooling channels ( 14 ) is arranged.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 1 ) is designed in the manner of a sleeve and a fixation in the form of a screw or a clamp connection ( 13 ) is formed, which is preferably spring-loaded, spring-loaded or resilient.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that in relation to a diameter of a respective tempered object ( 2 ) longer thermoelectric strips ( 15 ) several times in succession and / or parallel to one another as bands around the article or a pipe carrying hot gas ( 2 ) are wound and in particular encased in electrical insulation with a cooled outer shape.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a cooling by on the cold side ( 6 ) applied Peltier elements is provided with a portion of the electrical energy from the thermoelectric legs ( 5 ) are fed.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that thermoelectric generators ( 5 ) are provided, which are based on semi-Heusler compounds, Skutteruditen, sintered materials of magnesium, manganese, zinc oxides and / or silicides, in particular MgSi, MnSi, SiGe are constructed with doping, for example, with antimony.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that intermediate spaces ( 9 ) between the individual thermoelectric legs ( 5 ) by an electrically and thermally insulating matrix ( 10 ) are formed, which is formed from a suitable high-temperature material and in particular from a mixture of mineral fibers and / or powder on a silicate or an airgel.

Device according to the preceding claim, characterized in that the matrix ( 10 ) on at least one of the long sides ( 18 . 19 ) Overlapping noses ( 17 ) in particular for reducing the formation of thermal bridges and parasitic heat losses along a gap or a joint ( 20 ), preferably a strip ( 15 ) or band.