AT510473B1 - Thermogenerator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Thermogenerator (1) umfassend über eine Länge verteilt mehrere thermoelektrische Elemente (2), wobei jeweils zwei thermoelektrische Elemente (2) in einem Abstand zueinander angeordnet und mit einem Leitelement (9) elektrisch leitend verbunden sind. Das Leitelement (9) ist mit jeweils zwei thermoelektrischen Elementen (2) mit einem sauerstoffabbindenden Kleber (10) verbunden.

Description

9$&m?!csSäehes psieKiafst AT510 473B1 2013-01-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Thermogenerator umfassend über eine Länge verteilt mehrere thermoelektrische Elemente, wobei jeweils zwei thermoelektrische Elemente in einem Abstand zueinander angeordnet und mit einem Leitelement elektrisch leitend verbunden sind, sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme, umfassend eine Wärmequelle sowie zumindest einen Thermogenerator.

[0002] Unter einem Thermogenerator wird im Sinne der Erfindung ein thermoelektrischer Generator zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie verstanden.

[0003] Steigende Energiekosten sowie ein verstärktes Umweltbewusstsein forcieren in letzter Zeit Systeme, mit denen elektrische Energie aus Abwärme, die in der Vergangenheit ungenutzt an die Umwelt abgegeben wurde, gewonnen werden kann. Bekanntlich ist bei Verbrennungskraftmaschinen der Wirkungsgrad deutlich unter 100 %. Abgase von Kraftfahrzeugen, welche über das Abgassystem an die Umwelt abgegeben werden, haben üblicherweise noch Temperaturen von mehreren 100 °C. Andererseits ist es im Stand der Technik schon seit längerem bekannt, so genannte thermoelektrische Module einzusetzen, um aus Wärmequellen elektrischen Strom zu erzeugen. Bekanntlich liefern derartige thermoelektrische Module bei einer vorhandenen Temperaturdifferenz aufgrund des Seebeck-Effektes elektrischen Strom. Diese Module werden daher auch Seebeck-Mod ule genannt.

[0004] Thermoelektrische Module werden heute in Form von Arrays hergestellt, um annähernd die im Verbraucherstromkreis erforderliche Spannung zu erreichen. Diese Arrays sind für den Einsatz in einem stationären, über die Fläche des Arrays möglichst gleichmäßigen Temperaturumfeld konzipiert. Zusätzlich werden dabei üblicherweise diese Arrays in Kombination mit so genannten Heatspreadern eingesetzt, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der von der Wärmequelle abgegebenen Wärme auf das Array zu erreichen.

[0005] Ein derartiges thermoelektrisches Modul ist beispielsweise aus der DE 10 2007 063 168 A1 bekannt. Dieses besteht aus in einer ersten Lage angeordneten, elektrischen Leitelementen, aus in einer zweiten, zur ersten Lage beabstandeten Lage angeordneten, elektrischen Leitelementen, aus einer zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage angeordneten Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen, aus mindestens einer Isolierschicht, mittels welcher die in erster Lage angeordneten, elektrischen Leitelemente relativ zu einer Wärmequelle oder die in der zweiten Lage angeordneten, elektrischen Leitelemente relativ zu einer Wärmesenke elektrisch isolierbar sind. Die mindestens eine Isolierschicht ist dabei aus einer Mehrzahl von Isolierschichtabschnitten gebildet, welche voneinander getrennt sind. Als Wärmequelle wird das Abgassystem einer diskontinuierlich arbeitenden Verbrennungseinrichtung genannt, insbesondere ein Abgassystem des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges. Es wird damit ein thermoelektrisches Modul geschaffen, welches einen guten Wirkungsgrad und eine kompakte Bauweise aufweist und einen möglichst spannungsfreien Betrieb eines thermoelektrischen Generators ermöglicht.

[0006] Vergleichbare thermoelektrische Module werden auch in der DE 10 2007 063 173 A1 bzw. der DE 10 2007 063 196 A1 beschrieben.

[0007] Die WO 2009/051055 A1 beschreibt ein thermoelektrisches Modul, bei dem die thermoelektrischen Elemente mittels einer Silberbindeschicht mit den Elektroden verbunden sind. Die Silberbindeschicht wird aus einer Silberpaste durch Verdampfen des Lösungsmittels und anschließendes Versintern der Silberpartikel gebildet.

[0008] Aus der US 2010/0229910 A1 ist ein thermoelektrisches Modul bekannt, dessen thermoelektrische Elemente mit einer Sublimationssperrschicht aus AI2O3 im Bereich der Seitenwände beschichtet sind.

[0009] Die US 2008/0230107 A1 beschreibt einen thermoelektrischen Generator, bei dem die thermoelektrischen Elemente streifenförmig angeordnet sind. 1 /19

ästWRldsischtt psisniamt AT510 473B1 2013-01-15 [0010] Die JP 2005-277120 A beschreibt ein thermoelektrisches Modul. Die thermoelektrischen Elemente sind mit einer Kupferelektrode verbunden, die mittels eines Spritzverfahrens hergestellt wird. Zwischen der Elektrode und den thermoelektrischen Elementen ist eine Spritzschicht aus Mo oder W angeordnet.

[0011] Aus der EP 1 482 568 A2 ist ein Ofen bekannt, der mit thermoelektrischen Modulen ausgestattet ist. Die thermoelektrischen Elemente sind mit Verbindungspads mit Kupferplatten verbunden, wobei die Verbindungspads mit den thermoelektrischen Elementen laminiert sind. Die Verbindungspads sind mehrschichtig aufgebaut, wobei die einzelnen Schichten über ein Bindemittel miteinander verbunden sein können. Als Bindemittel wird u.a. eine Silberpaste eingesetzt, die aus einer Silikatglasbasis mit dispergierten Silberpartikeln bestehen kann.

[0012] Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht darin, einen verbesserten Thermogenerator bzw. eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme zu schaffen.

[0013] Diese Aufgabe der Erfindung wird jeweils eigenständig durch einen eingangs genannten Thermogenerator gelöst, bei dem das Leitelement mit jeweils zwei thermoelektrischen Elementen mit einem sauerstoffabbindenden Kleber verbunden ist, sowie durch die eingangs genannte Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme, bei der der Thermogenerator erfindungsgemäß ausgebildet ist.

[0014] Von Vorteil ist dabei, dass die durch die Klebeverbindung erzeugte Schicht relativ dünn ausgeführt werden kann, wodurch eine höhere Lebensdauer des Thermogenerators bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden kann, da kleinräumige Temperaturunterschiede nicht bzw. nicht wesentlich zu einer Verschärfung der mechanischen Beanspruchung des erfindungsgemäßen Thermogenerators bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung führen. Zur weiteren Verbesserung dieses Effektes kann die Klebeschicht in bestimmten Grenzen mit einer Flexibilität ausgestattet werden, beispielsweise indem diese mit einer höheren Schichtdicke ausgeführt wird, wodurch die mechanische Beanspruchung der Kontaktstellen während der Verwendung des Thermogenerators weiter reduziert werden kann. Darüber hinaus ist damit auch eine gute Haftfestigkeit der Verbindung erreichbar und ist die genannte Verbindungsmethode in der industriellen Fertigung gut beherrschbar, wodurch die industrielle Fertigung von Thermogeneratoren - vielfach werden diese noch per Hand zusammengebaut -ermöglicht wird, und in der Folge hochwertige Thermogeneratioren kostengünstiger herstellbar sind.

[0015] Der Kleber ist ein sauerstoffhärtender Kleber. Es wird damit erreicht, dass Sauerstoff, der gegebenenfalls an der Oberfläche der thermoelektrischen Elemente vorhanden ist, durch die Abbindereaktion des Klebers verbraucht wird, wodurch der Einsatz von oxidationsempfindliche Werkstoffen für die thermoelektrischen Elemente vereinfacht werden kann.

[0016] Durch die Verwendung eines DCB-Substrates (DCB = direct copper bonded) zur Anordnung der thermoelektrischen Elemente wird der Vorteil erreicht, dass damit mit einfachen Mitteln unterschiedliche Oberflächengrößen und -gestalten für unterschiedliche Anordnungen der thermoelektrischen Elemente zur Verfügung gestellt werden können. Zudem kann damit eine relativ ebene Oberfläche zur Verfügung gestellt werden, die in der weiteren industriellen Fertigung des Thermogenerators, insbesondere in Hinblick auf die Anordnung der thermoelektrischen Elemente, von Vorteil ist. Zudem kann damit ein komplettes Array von thermoelektrischen Elementen kostengünstig aufgebaut werden und ist dabei auch die Variabilität der Ar-raygestaltung von Vorteil.

[0017] Zwischen dem Leitelement und den thermoelektrischen Elementen kann eine Diffusionssperrschicht angeordnet sein, um das Eindiffundieren von Bestandteilen des Werkstoffes des Leitelementes zu verhindern. Darüber hinaus bietet die Diffusionssperrschicht aber auch Vorteile in Hinblick auf die hohen Temperaturen bei der Verwendung des Thermogenerators, insbesondere wenn dieser in ein Abgassystem eines Kraftfahrzeuges integriert wird. Es ist damit möglich für das Leitelement auch Werkstoffe zu verwenden, bei denen bei den vorherrschenden Temperaturen die Gefahr besteht, dass Bestandteile in die thermoelektrischen Ele- 2/19

AT510 473 B1 2013-01-15 mente eindiffundieren. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass hinsichtlich der Materialauswahl für das Leitelement aber auch für die thermoelektrischen Elemente - die Diffusionssperrschicht kann auch so ausgeführt sein, dass sie die Diffusion aus den thermoelektrischen Elementen in das Leitelement unterbindet - eine größere Bandbreite möglich ist, wodurch auf spezielle Materialkombinationen für das Leitelement und die thermoelektrischen Elemente im Wesentlichen nicht Rücksicht genommen werden muss, also auch Werkstoffe für die Elemente verwendet werden können, die eine höhere Energieausbeute ermöglichen. Es wird damit auch die Langzeitstabilität des Thermogenerators verbessert.

[0018] Die thermoelektrischen Elemente weisen eine Deckfläche, eine Bodenfläche sowie dazwischen liegende Seitenflächen auf, wobei an zumindest einer der Seitenflächen eine Oxidationssperrschicht und/oder eine Sublimationssperrschicht angeordnet sein kann, um damit die thermoelektrischen Element besser vor Umwelteinflüssen, wie z.B. die Oxidationsgefahr bzw. die Sublimation unter den vorherrschenden hohen Temperaturen von Materialbestandteilen, zu schützen, welche den Verlust an aktivem thermoelektrischen Material und damit die Reduktion des Wirkungsgrades zur Folge haben.

[0019] Die thermoelektrischen Elemente können zur besseren Hantierbarkeit und Minimierung der Anzahl der Außenanschlüsse mäanderförmig auf dem DCB Substrat angeordnet sein. Damit ist auch eine einfachere Herstellung größerer Module zur Erzielung einer guten thermischen Wechselfestigkeit möglich.

[0020] Es ist möglich, dass das DCB-Substrat zwischen den mäanderförmig angeordneten thermoelektrischen Elementen Ausnehmungen aufweist, um Wärmespannungen während des Einsatzes des Thermogenerators besser ausgleichen zu können, wodurch die thermoelektrischen Elemente sowie die Kontaktierungsstellen besser vor einer Beschädigung aufgrund der thermischen Belastung des Thermogenarators geschützt werden können.

[0021] Bevorzugt sind diese Ausnehmungen schlitzförmig ausgebildet, sodass also das DCB-Substrat im Wesentlichen dem mäanderförmigen Verlauf der Anordnung der thermoelektrischen Elemente angepasst ist, wodurch der voranstehend genannte Effekt der Vermeidung der Beschädigung der thermoelektrischen Elemente und der Kontaktstellen verbessert werden kann.

[0022] Zur Reduktion der Kerbwirkung kann zumindest ein Eckbereich der Ausnehmungen gerundet ausgebildet sein.

[0023] Das DCB-Substrat kann zusätzlich auf der Unterseite metallisiert sein, wodurch die Ebenheit des Substrates und die Wärmeabfuhr verbessert wird. Mit Unterseite ist dabei jene Seite bzw. Oberfläche gemeint, die der die thermoelektrischen Elemente aufweisenden Oberfläche gegenüberliegt.

[0024] Durch eine streifenförmige Anordnung der thermoelektrischen Elemente ist deren Handhabung während des Einbaus einfacher zu gestalten und kann damit die Anzahl der Außenanschlüsse reduziert werden. Insbesondere wird es damit möglich, diese thermoelektrischen Elemente hinsichtlich ihrer Verteilung in der verfügbaren Wärmequelle bzw. umgekehrt die Verteilung der verfügbaren Wärmemenge aus der Wärmequelle entsprechend einfach anzupassen, indem beispielsweise beim Eintritt des Heißgases die thermoelektrischen Elemente in geringerer Dichte angeordnet werden als in jenem Bereich, in dem das Heißgas bereits eine Abkühlung erfahren hat.

[0025] Es sei darauf hingewiesen, dass prinzipiell die Möglichkeit besteht, dass die thermoelektrischen Elemente zu einem Elementestreifen zusammengefasst werden, jedoch im Rahmen der Erfindung die Aufteilung der thermoelektrischen Elemente auf mehrere Elementestreifen bevorzugt wird. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass ein Elementestreifen lediglich aus einem thermoelektrischen Element besteht.

[0026] Es ist weiter möglich, dass eine Längserstreckung des durch die streifenförmig angeordneten thermoelektrischen Elemente gebildeten Elementestreifens zumindest annähernd senkrecht zu einer vorbestimmbaren Flussrichtung des Wärmestroms aus der Wärmequelle ausgerichtet ist, sodass die Elementestreifen jeweils bevorzugt parallel zu den Isothermen der Vor- 3/19 äsSerneldtiKhes psiÄüiaist AT510 473 B1 2013-01-15 richtung zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgerichtet sind. Im Wesentlichen stehen dabei also die Elementestreifen zumindest annähernd im rechten Winkel zur Strömungsrichtung eines Abgassystems eines Kraftfahrzeuges bzw. generell zur Flussrichtung des Wärmestroms einer Wärmequelle. Es ist dabei von Vorteil, dass geringe Temperaturschwankungen in den einzelnen Zonen bzw. Schichten des Wärmestroms, also beispielsweise im Abgasstrom, einen geringeren Einfluss auf die Spannung der erzeugten elektrischen Energie hat.

[0027] Zumindest zwei der Elementestreifen können zu einem Modul zusammengefasst werden, wobei der Thermogenerator zumindest ein derartiges Modul umfasst. Bevorzugt sind mehrere derartige Module über die Länge des Thermogenerators verteilt angeordnet. Durch die modulare Bauweise ist ein rascherer Zusammenbau des Thermogenerators möglich und darüber hinaus ist die Anpassung an unterschiedliche Wärmequellen mit verschiedenen Temperaturen durch die modulare Bauweise vereinfacht. Auch der Austausch gesamter Module wird dadurch vereinfacht, insbesondere im Hinblick auf die Kontaktierung.

[0028] Aufgrund der modularen Bauweise ist es weiter möglich, dass mehrere Elementestreifen wahlweise in Serie oder parallel im Thermogenerator miteinander elektrisch leitend verbunden werden, um damit eine an die jeweiligen Spannungsbedürfnisse bessere Anpassung zu erreichen, und um damit auch einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen.

[0029] Die thermoelektrischen Elemente können zumindest teilweise eingehaust sein, einerseits um die Handhabung der thermoelektrischen Elemente zu vereinfachen, andererseits um die thermoelektrischen Elemente besser gegen den Angriff von korrosiven Bestandteilen eines Abgases oder aus der Umgebungsluft bzw. durch (Spritz)-Wasser oder Wasserdampf zu schützen.

[0030] Ein Verhältnis der Länge in Millimeter zur Querschnittsfläche in Quadratmillimeter der thermoelektrischen Elemente kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 : 100 und einer oberen Grenze von 4:1.1m Zuge der Erprobung der Erfindung konnte mit derartigen geometrischen Abmessungen ein besonderer Effekt hinsichtlich des Wirkungsgrades des Thermogenerators beobachtet werden.

[0031] Bevorzugt weisen die thermoelektrischen Elemente einen rechteckförmigen Querschnitt auf - in Richtung der Längserstreckung betrachtet. Obwohl auch andere Querschnittsformen prinzipiell möglich sind, haben sich rechteckförmige Querschnitte sowohl hinsichtlich des Wirkungsgrades als auch hinsichtlich des Einbaus und der Handhabung der thermoelektrischen Elemente im Zuge der Erprobung der Erfindung als vorteilhaft erwiesen.

[0032] Bevorzugt ist die Wärmequelle ein Abgassystem eines Kraftfahrzeuges, wodurch der Wirkungsgrad der Energiegewinnung eines Kraftfahrzeuges verbessert werden kann.

[0033] Es ist aber auch möglich, dass der Wärmequelle ein Wärmetauscher zugeordnet ist, an dem die thermoelektrischen Elemente bzw. der Thermogenerator angeordnet werden bzw. wird. Durch diese Ausführung der Erfindung ist ein einfacher Einbau bzw. Austausch im Falle einer Reparatur des Thermogenerators möglich, indem nämlich der gesamte Wärmetauscher getauscht werden kann. Andererseits ist damit aber auch eine bessere Ausnutzung der Energie im Abgas möglich, indem dieses Abgas im Wärmetauscher zumindest teilweise rückgeführt wird, wobei in diesem Rückführungsbereich wiederum thermoelektrische Elemente angeordnet werden können. In diesem Fall hat sich die Anordnung der thermoelektrischen Elemente mit variablem Abstand zueinander, das heißt mit unterschiedlicher Belegungsdichte über die Länge des Wärmetauschers, als vorteilhaft erwiesen, da die heißen Abgase über die Länge des Wärmetauschers allmählich abkühlen. Durch höhere Belegungsdichte mit thermoelektrischen Elementen in kälteren Zonen kann trotzdem eine entsprechende Spannung erzielt werden, wobei aufgrund der geringeren Belegungsdichte am Beginn des Wärmetauschers, das heißt im Eintrittsbereich der heißen Abgase, keine Spannungsspitzen auftreten. Es ist in diesem Fall auch möglich, dass der Wärmetauscher für die Führung der heißen Abgase mäanderförmig ausgeführt ist.

[0034] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren 4/19 äsSerreltiiisches psisntot AT510 473 B1 2013-01-15 näher erläutert.

[0035] [0036] [0037] [0038] [0039] [0040] [0041] [0042] [0043]

Es zeigen jeweils in schematisch vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Thermogenerator in Explosionsdarstellung;

Fig. 2 den Ausschnitt nach Fig. 1 mit einem zusätzlichen thermoelektrischen Element in Schrägansicht;

Fig. 3 die Draufsicht auf ein DCB-Substrat mit teilweise angeordneten thermoelektrischen Elementen;

Fig. 4 eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Thermogenerators mit streifenförmig angeordneten thermoelektrischen Elementen in Schrägansicht;

Fig. 5 einen Elementestreifen in Seitenansicht;

Fig. 6 die Anordnung von thermoelektrischen Elementen an einem Wärmetauscher in Seitenansicht geschnitten;

Fig. 7 eine Ausführungsvariante der thermoelektrischen Elemente in Modulbauweise in Seitenansicht geschnitten;

Fig. 8 eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mäanderförmig ausgebildetem Wärmetauscherrohr in Seitenansicht geschnitten.

[0044] Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

[0045] Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Ausschnitt aus einer bevorzugten Ausführungsvariante eines Thermogenerators 1 in Explosionsdarstellung bzw. Schrägansicht. Dieser Thermogenerator 1 umfasst mehrere thermoelektrische Elemente 2. In den Fig. 1 bzw. 2 sind zur besseren Darstellung lediglich eines bzw. zwei derartige thermoelektrischen Elemente 2 dargestellt. Obwohl es im Rahmen der Erfindung möglich ist, dass der Thermogenerator 1 nur zwei dieser thermoelektrischen Elemente 2 aufweist, ist es aus Gründen der erzielbaren Leistung bevorzugt, dass der Thermogenerator 1 mehr als zwei thermoelektrische Elemente 2 aufweist, wobei sich die genaue Anzahl an thermoelektrischen Elementen 2 nach der gewünschten elektrischen Spannung richtet. Beispielsweise kann der Thermogenerator 1 ein Array an thermoelektrischen Elementen 2 aufweisen, das zwischen 20 und 300 thermoelektrische Elemente 2 aufweist.

[0046] Als Grundmaterial für die Herstellung der thermoelektrischen Elemente 2 wird bevorzugt ein Skutterudit bzw. eine Pulverzusammensetzung aus der Klasse der Skutterudite bzw. eine entsprechende Mischung aus den jeweiligen Elementen verwendet. Skutterudite weisen insbesondere im Hinblick auf die Temperaturbelastbarkeit gegenüber herkömmlichen Halbleitermaterialien den Vorteil auf, dass diese einer höheren Temperaturbelastung ausgesetzt werden können und zudem damit bessere Wirkungsgrade erzielt werden können.

[0047] Es ist im Rahmen der Erfindung mit dem Thermogenerator 1 möglich, Wirkungsgrade von bis annähernd bzw. knapp über 10 % zu erreichen, wohingegen mit thermoelektrischen Generatoren aus dem Stand der Technik bislang Wirkungsgrade um die 6 % erreicht wurden.

[0048] Je nach Ausbildung der thermoelektrischen Elemente 2 als p- oder n- Element wird dieses Grundmaterial aus der Klasse der Skutterudite entsprechend p- oder n-dotiert. Für die Dotierung kann beispielsweise zumindest eines der Elemente Ba, Ca, Ce, Eu, Fe, Ge, In, La, Nd, Ni, Os, Pd, Pr, Pt, Ru, Sm, Sn, Sr, Te, Yb, verwendet werden.

[0049] Obwohl die Verwendung von Skutteruditen die bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung ist, besteht im Rahmen der Erfindung aber auch die Möglichkeit, andere Halbleiter- 5/19

8$&n*!dsi5ch«5 pätersiamt AT510 473 B1 2013-01-15 materialien, insbesondere für Temperaturanwendungen deutlich unterhalb von 700 °C, zu verwenden. Beispiele hierfür sind Bi2Te3/Sb2Te3, PbTe-PbSe-PbS, (SiGe), Chlatrate, wie zum Beispiel Ba8Ga16Ge30, Zn4Sb3, etc.

[0050] Vorzugsweise werden die thermoelektrischen Elemente 2 nach einem Sinterverfahren hergestellt. Dazu können diese als bereits fertige Elemente hergestellt oder aus einem größeren Sinterblock bzw. einer Sinterscheibe herausgeschnitten werden.

[0051] Der Thermogenerator umfasst weiter ein Substrat 3 auf dem die thermoelektrischen Elemente 2 angeordnet werden. Dieses Substrat 3 ist insbesondere ebenflächig ausgebildet und besteht bevorzugt aus einer Keramik. Beispielsweise kann das Substrat 3 durch zumindest eine Keramik ausgewählt aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Al203, AIN, Si3N4 und Glaskeramiken, gebildet sein. In der bevorzugten Ausführung des Thermogenerators 1 besteht das Substrat 3 aus Al203.

[0052] Das Substrat 3 ist bevorzugt auf zumindest einer Oberfläche 4 mit einer metallischen Schicht 5 versehen, vorzugsweise auch auf der der Oberfläche 4 gegenüberliegenden Oberfläche 6. Die metallische Schicht 5 ist durch Kupfer bzw. eine Kupferlegierung gebildet. Die metallische^) Schicht(en) 5 sind insbesondere unmittelbar auf dem Substrat 3 aufgebracht, beispielsweise durch bedampfen des Substrats 3.

[0053] Das Substrat 3 kann eine Schichtdicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,1 mm, insbesondere 0,3 mm, und einer oberen Grenze von 2 mm, insbesondere 1,5 mm.

[0054] Die metallische Schicht 5 kann eine Schichtdicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,1 mm und einer oberen Grenze von 0,5 mm, insbesondere 0,3 mm.

[0055] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist das Substrat 3 durch ein DCB-Substrat (DCB = Direct copper bonded) gebildet, wie diese aus der Halbleitertechnik bekannt sind.

[0056] Zwischen den thermoelektrischen Elementen 2 und dem Substrat 3 ist vorzugsweise an einer Bodenfläche der thermoelektrischen Elemente 2 eine Diffusionssperrschicht 7 angeordnet. Die Diffusionssperrschicht 7 kann in direktem Kontakt mit dem jeweiligen thermoelektrischen Element 3 stehen. Dazu kann das thermoelektrische Element 2 mit dem Werkstoff für die Diffusionssperrschicht 7 beschichtet werden, beispielsweise durch ein PVD-Verfahren, wie z.B. Magnetronsputtern, Atomlagenabscheidung (ALD), Laserablation. Als Werkstoff für die Diffusionssperrschicht 7 wird vorzugsweise ein Material ausgewählt aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus Nb, Ni, W, Mo, Ru, Pd, Ti, Ta verwendet. Vorzugsweise besteht die Diffusionssperrschicht 7 aus Nitriden dieser Elemente.

[0057] Die Diffusionssperrschicht 7 kann eine Schichtdicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 60 nm und einer oberen Grenze von 100 pm.

[0058] Das thermoelektrische Element 2 wird, gegebenenfalls mit der angeordneten Diffusionssperrschicht 7, mit dem Substrat 3, das die Kaltseite des Thermogenerators 1 darstellt, über eine zwischen dem thermoelektrischen Element 2 und dem Substrat 3 angeordnete Verbindungsschicht 8 verbunden. Diese Verbindungsschicht 8 kann als Lötschicht durch Löten oder durch NVT-Technik (Niedertemperaturverbindungstechnik) hergestellt sein. Der Werkstoff für die Verbindungsschicht 8 kann an die jeweiligen Werkstoffe der weiteren Schichten des Thermogenerators 1 angepasst sein, beispielsweise aus einer Mo-Cu-, einer Fe-Ni- oder einer Ni-Ti-Legierung gebildet sein.

[0059] Die Verbindungsschicht 8 kann eine Schichtdicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 pm und einer oberen Grenze von 300 pm.

[0060] Auf der, der dem Substrat 3 gegenüberliegenden Heißseite werden jeweils zwei nebeneinander angeordnete thermoelektrische Elemente 2 des Thermogenerators 1 über ein Leitelement 9 elektrisch leitend miteinander verbunden. 6/19 &tf?«icäsiäches psissiäÄt AT510 473B1 2013-01-15 [0061] Die elektrisch leitende Verbindung jeweils zweier nebeneinander angeordneter thermoelektrischer Elemente 2 an der Kaltseite im Bereich des Substrats 3 erfolgt bei der dargestellten Ausführungsvariante über die metallische Schicht 5, insbesondere über eine Kupferschicht. Die elektrisch leitende Verbindung erfolgt dabei so, dass die thermoelektrischen Elemente 2 in Serie geschaltet sind, d.h. dass jeweils zwei nebeneinander angeordnete thermoelektrische Elemente 2 alternierend an der Kaltseite und der Heißseite elektrisch leitend verbunden werden.

[0062] Als Werkstoff für das Leitelement 9 kann ein Metall oder eine metallische Legierung verwendet werden, das bzw. die ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus Mo, Cu, Mo5oCu5o, M070CU30, Fe-Ti-Legierungen, Fe-Ni-Legierungen. Vorzugsweise besteht das Leitelement 9 aus Mo65Cu35 oder aus einer Ni-Ti-Legierung oder einer Fe-Ni-Legierung, insbesondere mit einer Oxidationsschutzbeschichtung. Bevorzugt werden dabei Ni-Ti-Legierungen oder einer Fe-Ni-Legierungen verwendet die einen Wäremausdehnungskoeffizien-ten von maximal 10x10"6 K"1 und/oder eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 15 W/mK aufweisen. Beispielsweise kann eine Fe5oNi5o verwendet werden.

[0063] Das Leitelement 9 kann eine Schichtdicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,1 mm und einer oberen Grenze von 1,5 mm.

[0064] Die Verbindung des Leitelementes 9 erfolgt über eine Kleber 10 der eine Kleberschicht 11 ausbildet. Der Kleber 10 kann beispielsweise aus einer anorganischen Bindermasse bestehen, in der Silberpartikel enthalten sind. Insbesondere wird ein Hochtemperaturkleber verwendet. Besonders bevorzugt wird als Kleber 10 Pyroduct ® verwendet.

[0065] Es wird ein Kleber 10 verwendet, der zum Abbinden bzw. Härten Sauerstoff benötigt, wie beispielsweise Pyroduct ®.

[0066] Um eine Spannungsbruch der Kleberschicht 11 besser vermeiden zu können, wird bevorzugt ein Kleber 10 verwendet, dessen thermischer Expansionskoeffizient einen Wert von maximal ±20%, insbesondere maximal ±10%, des thermischen Expansionskoeffizienten des Werkstoffes der thermoelektrischen Elemente 2 aufweist.

[0067] Die Kleberschicht 11 kann eine Schichtdicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 pm und einer oberen Grenze von 300 pm.

[0068] Es ist weiter möglich, dass eine Diffusionssperrschicht 12 angeordnet ist, die mit dem thermoelektrischen Element 2 und der Kleberschicht 11 verbunden ist. Diese Diffusionssperrschicht 12 kann gleich aufgebaut sein wie die voranstehend beschriebene Diffusionssperrschicht 7 zwischen der Verbindungsschicht 8 und dem thermoelektrischen Element 2 auf der Kaltseite. Es ist jedoch bevorzugt, nachdem die Diffusionssperrschicht 12 auf der Heißseite des Thermogenerators 1 angeordnet ist, dass diese aus einem Werkstoff besteht, der ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus Nb, Ni, W, Mo, Ru, Pd, Ti, Ta. Insbesondere werden Nitride dieser Elemente für die Diffusionsschicht 12 verwendet. Die Herstellung der Diffusionsschicht 12 kann durch direktes Beschichten der dem Leitelement 9 zugewandten Oberfläche, d.h. der Deckfläche, des thermoelektrischen Elementes 2, erfolgen, beispielsweise durch ein PVD-Verfahren, Sputtern, Atomlagenabscheidung (ALD), Laserablation.

[0069] An zumindest einer der zwischen der Bodenfläche und der Deckfläche des thermoelektrischen Elementes 2 liegenden Seitenfläche 13 bis 16, bevorzugt an allen, kann eine Oxidationssperrschicht 17 und/oder Sublimationssperrschicht angeordnet sein, insbesondere mit dem thermoelektrischen Element 2 verbunden sein.

[0070] Die Oxidationssperrschicht 17 und/oder Sublimationssperrschicht kann aus einem Werkstoff bestehen, der ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus Cr, Si, Al203, Zr02, AI2Ti03, NbN, TaN, WN und Kombinationen daraus. Insbesondere wird Al203 verwendet.

[0071] Es ist weiter möglich, dass die Oxidationssperrschicht 17 gleichzeitig die Sublimationssperrschicht bildet, also nicht zwei getrennte Schichten auf das thermoelektrische Element 2 7/19

AT510 473B1 2013-01-15 aufgebracht werden. In diesem Fall kann die Oxidationssperrschicht aus Al203 bestehen.

[0072] Die Oxidationssperrschicht 17 und/oder die Sublimationssperrschicht kann bzw. können eine Schichtdicke aufweisen, die (jeweils) ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 60 nm und einer oberen Grenze von 300 pm. Die Oxidationssperrschicht 17 und/oder die Sublimationssperrschicht kann bzw. können beispielsweise mit einem der genannten Verfahren oder z.B. mit Elektronenstrahlbedampfen hergestellt werden [0073] Obwohl sich die Oxidationssperrschicht 17 und/oder die Sublimationssperrschicht bei der Darstellung in Fig. 2 nur über einen Teilbereich der Höhe der thermoelektrischen Elemente 2 erstreckt, besteht selbstverständlich die Möglichkeit, dass sich diese Schicht(en) über die gesamte Höhe der thermoelektrischen Elemente 2 erstreckt bzw. erstrecken.

[0074] Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Substrat 3, vorzugsweise ein DCB-Substrat, mit darauf angeordneten thermoelektrischen Elementen 2. Die Verbindung der thermoelektrischen Elemente 2 erfolgt bevorzugt wie zu den Fig. 1 und 2 beschrieben über die nicht dargestellte Verbindungsschicht 8, gegebenenfalls unter Zwischenanordnung der Diffusionssperrschicht 7. Generell sei hinsichtlich des Aufbaus und der Anordnung der einzelnen weiteren Schichten des mit diesem Substrat 3 mit den thermoelektrischen Elementen 2 gebildeten Thermogenerators 1, die in Fig. 3 ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind, also dem Leitelement 9, der Kleberschicht 11, der Diffusionssperrschicht 12, der Oxidationssperrschicht 12 und/oder der Sublimationsschicht, sowie der auf der Kaltseite gegebenenfalls angeordneten metallischen Schicht 5, auf voranstehende Ausführungen verwiesen, und können diese Ausführungen auf diese Ausführungsvariante entsprechend angewandt werden.

[0075] Die thermoelektrischen Elemente 2 sind bei der Ausführungsvariante nach Fig. 3 in Form von Reihen 18 angeordnet, wobei auf dem Substrat 3 ein Mehrzahl an Reihen 18 nebeneinander angeordnet sind. Beispielsweise können 36 thermoelektrische Elemente 2 auf dem Substrat 3 angeordnet werden, die auf 6 Reihen 18 aufgeteilt sind. Diese Angaben haben aber in Hinblick auf die Erfindung nur beispielhaften Charakter, sodass auch eine dazu unterschiedliche Anzahl an thermoelektrischen Elementen 2 vorhanden sein kann.

[0076] Die einzelnen thermoelektrischen Elemente 2 können dabei zur Gänze in Serie geschaltet sein, sodass also die thermoelektrischen Elemente 2 einen mäanderförmigen Verlauf aufweisen.

[0077] Andererseits besteht auch die Möglichkeit, dass die thermoelektrischen Elemente 2 innerhalb einer Reihe 18 seriell verbunden geschaltet sind, dass aber die Reihen 18 zueinander parallel geschaltet werden.

[0078] Je nach der gewählten Schaltung - ausschließlich seriell oder in Kombination mit parallel - sind an dem Substrat 3 eine unterschiedliche Anzahl an Außenkontakten in Form eines Pluspols 19 und eines Minuspols 20 vorhanden. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsvariante weist das Substrat 3 einen Pluspol 19 (rechts) und einen Minuspol 20 (links) auf. Vorzugsweise sind die beiden Außenkontakte auf derselben Seite des Substrats 3 angeordnet, es besteht aber auch die Möglichkeit, dass einer der Pole auf einer anderen, beispielsweise der gegenüberliegenden, Seite angeordnet ist. Die beiden Pole bestehen aus einem Metall oder einer metallischen Legierung, insbesondere aus Cu oder einer Cu-Legierung.

[0079] Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die beiden Pole elektrisch leitend mit den thermoelektrischen Elementen 2 verbunden sind.

[0080] Des Weiteren sei der Vollständigkeit halber angemerkt, dass - wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist - abwechselnd p- und n-dotierte thermoelektrische Elemente 2 angeordnet und elektrisch leitend miteinander verbunden werden.

[0081] In der bevorzugten Ausführung des Substrates 3 weist dieses zwischen den Reihen 18 aus thermoelektrischen Elementen 2 aus voranstehend genannten Gründen Ausnehmungen 21 auf, insbesondere Durchbrüche. Diese Ausnehmungen 21 sind insbesondere schlitzförmig ausgebildet, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Prinzipiell können diese Ausnehmungen 21 aber 8/19

äsSmidsseas psiKKiamt AT510 473 B1 2013-01-15 auch eine andere Form aufweisen. Von Vorteil ist dabei, wenn die geschlossenen Eckbereiche 22 im Schlitzgrund gerundet oder mit einer Querschnittserweiterung ausgeführt sind, wobei ein Rundungsradius ausgewählt sein kann aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,2 mm und einer oberen Grenze von 1 mm. Die Querschnittserweiterung kann beispielsweise in Form einer Bohrung ausgeführt sein, die einen Durchmesser aufweist, der größer ist als die Breite des Schlitzes. Prinzipiell sind auch andere Formen der Querschnittserweiterung möglich, wobei bevorzugt runde Formen, also beispielsweise auch ovale, verwendet werden. Im Wesentlichen erhält also das Substrat 3 durch die schlitzförmigen Ausnehmungen 21 in Draufsicht ebenfalls ein mäanderförmiges Aussehen.

[0082] Durch diese Ausführungsvariante wird ein Thermogenerator 1 zur Verfügung gestellt, der aufgrund der auf dem Substrat 3 auf der Kaltseite angeordneten thermoelektrischen Elemente 2 eine gute Hantierbarkeit aufweist. Zudem werden durch die Skelettstruktur auf der Heißseite - die thermoelektrischen Elemente 2 sind hier nur über die Leitelemente 9 miteinander in Verbindung, wodurch eine offene Struktur auf der Heißseite entsteht -thermische Ausdehnungen des Thermogenerators 1 ermöglicht, wodurch die Gefahr der Beschädigung des Ther-mogenerators 1 verringert wird.

[0083] In Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßer Thermogenerator 1 in Schrägansicht dargestellt. Dieser umfasst in der dargestellten Variante mehrere p- und n-dotierte thermoelektrische Elemente 2, die streifenförmig unter Ausbildung von sechs Elementestreifen 23 angeordnet sind, wobei die thermoelektrischen Elemente 2 innerhalb eines Elementestreifens 23 miteinander verbunden sein können, sodass also die Elementestreifen 23 einstückig aus mehreren Teilen aufgebaut sein können. Einer der Elementestreifen 23 ist in Fig. 5 in Seitenansicht dargestellt.

[0084] Es ist aber auch möglich, dass die Elementestreifen 23 aus jeweils einem thermoelektrischen Element 2 bestehen, sodass also die Elementestreifen 23 jeweils nur p- oder n-dotiert sind.

[0085] Selbstverständlich kann der Thermogenerator 1 auch weniger oder mehr als sechs derartige Elementestreifen 23 aufweisen, also z.B. auch zwei, drei, vier, fünf, sieben, acht neun, zehn, etc.

[0086] Die thermoelektrischen Elemente 2 sind über die Leitelemente 9 in Serie miteinander elektrisch leitend verbunden. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, erfolgt die Kontaktierung der thermoelektrischen Elemente 2 mit den Leitelementen 9 bevorzugt in distalen Endbereichen 24 der Elementestreifen 23. Die Kontaktierung kann aber auch in einem anderen Bereich der thermoelektrischen Elemente 2 angeordnet sein.

[0087] Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass in Fig. 1 nur die Kontaktierung der Elementestreifen 23 miteinander dargestellt ist. Die Kontaktierung der thermoelektrischen Elemente 2 kann wie voranstehend zu den Fig. 1 und 2 beschrieben erfolgen.

[0088] Es ist zudem möglich, dass die Kontaktierung der Elementestreifen 23 miteinander, wie in Fig. 4 dargestellt, wechselweise oben und unten erfolgt oder diese Kontaktierungen jeweils an derselben Seite angeordnet sind, also nur oben oder nur unten, bezogen auf die relative Lage der Elementestreifen 23 in Fig. 4.

[0089] Innerhalb eines Elementestreifens 23 sind die einzelnen thermoelektrischen Elemente 2 seriell miteinander elektrisch leitend verbunden.

[0090] Zum Abgreifen der in den thermoelektrischen Elementen 2 erzeugten Spannung sind der Pluspol 19 sowie der Minuspol 20 vorgesehen.

[0091] Bevorzugt weisen die thermoelektrischen Elemente 2 und in der Folge die Elementestreifen 23, wie z.B. in den Fig. 4 dargestellt, einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, wenngleich dies nicht die bevorzugte Ausführung ist, andere Querschnittsformen zu wählen, beispielsweise quadratische, sechseckige, achteckige, runde, etc.

[0092] Es ist weiter bevorzugt, nachdem die bevorzugte Verwendung des Thermogenerators 1 9/19

AT510 473 B1 2013-01-15 in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeuges ist, dass die Elementestreifen 23 und/oder die thermoelektrischen Elemente 2 senkrecht, das heißt im zumindest annährend rechten Winkel zur Flussrichtung der Abgase oder mit anderen Worten senkrecht auf die Längserstreckung, das heißt die Länge des Thermogenerators 1, ausgerichtet sind, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

[0093] Es ist auch möglich in der voranstehend beschriebenen Ausführungsform des Thermogenerators 1 mit geschlitztem DCB-Substrat zwischen den einzelnen Reihen - in Längsrichtung der schlitzförmigen Ausnehmungen 21 betrachtet - von thermoelektrischen Elementen 2 unterschiedliche Abstände vorzusehen. Beispielsweise können dabei auch die schlitzförmigen Ausnehmungen 21 zumindest teilweise eine unterschiedliche Schlitzbreite aufweisen.

[0094] Die Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung 25 die neben dem Thermogenerator 1 auch einen Wärmetauscher 26 als Wärmequelle für den Thermogenerator 1 umfasst. Im einfachsten Fall ist dieser Wärmetauscher 26 durch ein Wärmetauscherrohr bzw. einen Wärmetauscherprofil mit zumindest annährend rechteckförmigem Querschnitt gebildet, wobei gemäß Pfeil 27 die die primäre Wärmequelle bildenden Abgase in dieses Wärmetauscherprofil eingeführt werden und dieses durchströmen. An der äußeren Oberfläche des Wärmetauschers 26, das heißt des Wärmetauscherprofils, sind die thermoelektrischen Elemente 2 des Thermogenerators 1 in Form der Elementestreifen 23 angeordnet. Insbesondere können die Elementestreifen 23 mittels eines Verbindungsmittels 28 mit der Oberfläche des Wärmetauschers 26 bzw. des Wärmetauscherprofils thermisch leitend verbunden sein. Derartige Verbindungsmittel 28 sind aus dem Stand der Technik bekannt.

[0095] Strichliert ist in Fig. 6 angedeutet, dass die Vorrichtung 25 zumindest annähernd zur Gänze mit einer Umhüllung 29 eingehaust sein kann, wodurch die thermoelektrischen Elemente 2 besser vor Umwelteinflüssen geschützt werden können. Insbesondere entsteht damit auch eine Vorrichtung 25, die als gesamte Baueinheit in das Abgassystem eines Kraftfahrzeuges eingebaut werden kann, also beispielsweise in die Auspuffleitungen, bzw. kann diese Vorrichtung 25 sogar ein Teil einer Auspuffleitung eines Kraftfahrzeuges ersetzen, ähnlich dem Einbau eines Katalysators.

[0096] In einer Abwandlung dazu besteht die Möglichkeit, wie dies Fig. 5 zeigt, dass alternativ oder zusätzlich zur Einhausung der Vorrichtung 25 auch die einzelnen Elementestreifen 23 mit einer Umhüllung 30 versehen sein können.

[0097] In Fig. 7 ist ein Ausschnitt aus einer Vorrichtung 25 im Querschnitt gezeigt. Insbesondere sind dabei jeweils zwei Elementestreifen 23 des Thermogenerators 1 zu einem Modul zusammengefasst, wobei bei dieser Ausführungsvariante zwischen den Elementestreifen 23 eines Moduls ein Isolierelement 31 angeordnet ist, das bevorzugt den gesamten Bereich zwischen den Elementestreifen 23 ausfüllt. Das Isolierelement 31 besteht aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material, z.B. aus einer Keramik. Mit Hilfe des Isolierelementes 31 wird eine Reduktion der Wärmeabstrahlung von den thermoelektrischen Elementen 2 erreicht, wodurch der Wirkungsgrad des Thermogenerators 1 verbessert werden kann.

[0098] Alternativ oder zusätzlich dazu besteht auch die Möglichkeit, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, dass zwischen den thermoelektrischen Elementen 2 derartige Isolierelemente 31 angeordnet sind.

[0099] Die Vorrichtung 25 nach Fig. 7 umfasst zumindest zwei dieser Module, wobei gegebenenfalls der Bereich zwischen den Modulen bedarfsweise auch mit einem nicht dargestellten Isolierelement 31 ausgefüllt werden kann. Die Module selbst können wiederum über ein Verbindungsmittel 28 mit der Oberfläche des Wärmetauschers 26 verbunden sein. Ebenso erfolgt eine Kontaktierung mittels der Leitelemente 9 zwischen den Modulen, wodurch die thermoelektrischen Elemente 2 in ihrer Gesamtheit seriell miteinander verbunden sind.

[00100] Es sei jedoch an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es im Rahmen der Erfindung möglich ist, dass derartige Module nicht nur seriell sondern auch parallel elektrisch leitend miteinander verbunden werden können, wobei auch Mischformen von seriell und parallel mög- 10/19

Österreichische' AT510 473 B1 2013-01-15 lieh sind.

[00101] Ein Modul kann aber auch nur einen Elementestreifen 23 aufweisen, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Es ist also nicht zwingend notwendig, dass ein Modul mehrere Elementstreifen 23 umfasst.

[00102] Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich möglich ist, dass einerseits in der Vorrichtung 25 bzw. im Thermogenerator 1 mehr als zwei Module, beispielsweise drei, vier, fünf, sechs, etc., angeordnet werden, und dass andererseits ein Modul auch mehr als zwei Elementestreifen 23, beispielsweise drei, vier, fünf, sechs, etc., aufweisen kann.

[00103] Des Weiteren ist es möglich, dass die Module nicht nur die thermoelektrischen Elemente 2 und gegebenenfalls die Isolierelemente 31 sowie den voranstehend zu den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Schichtaufbau umfassen, sondern eine komplette, modulare Bauweise der Vorrichtung 25 erfolgt, sodass die Module auch die Wärmetauscher 26 umfassen.

[00104] Fig. 8 zeigt schließlich eine Ausführungsvariante der Vorrichtung 25 bei der der Wärmetauscher 26 mäanderförmig ausgebildet ist, also das Wärmetauscherprofil zumindest eine Rückführung aufweist, wobei das Wärmetauscherprofil nach der Ausführungsvariante nach Fig. 8 in der dargestellten Querschnittsvariante S-förmig ausgebildet ist.

[00105] Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es im Rahmen der Erfindung möglich ist, dass der Wärmetauscher 26 mehrere Wärmetauscherprofile umfasst und an zumindest mehreren der Wärmetauscherprofile, bevorzugt an allen, thermoelektrische Elemente 2 angeordnet werden.

[00106] Mit der Ausführung nach Fig. 8 wird einerseits eine kompaktere Ausbildung der Vorrichtung 25 erreicht, wobei auch hier wiederum eine weitere Steigerung der Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 25 erreicht werden kann, indem nämlich die Länge der Vorrichtung 25 entsprechend verlängert wird und damit mehr thermoelektrische Elemente 2 in der Vorrichtung 25 angeordnet werden können.

[00107] Es sei darauf hingewiesen, dass die thermoelektrischen Elemente 2 in Fig. 8 nur mehr in der modularen Bauweise angedeutet sind und sei zu Einzelheiten hierzu beispielsweise auf die Ausführungsvariante nach Fig. 7 verwiesen.

[00108] Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die thermoelektrischen Elemente 2 bzw. die Module nicht nur in Flussrichtung der Abgase gemäß Pfeil 27 hintereinander angeordnet werden, sondern dass, wie dies in Fig. 8 strichliert dargestellt ist, derartige Module bzw. Elementestreifen 23 auch übereinander angeordnet werden. Dabei können die Module direkt aneinander anliegen oder auch beabstandet zueinander angeordnet werden. Eine derartige Anordnungsmöglichkeit besteht sowohl beim Thermogenerator 1 als auch in der Vorrichtung 25.

[00109] Es besteht auch hier die Möglichkeit einer Umhüllung 29 der gesamten Vorrichtung 25, wie dies in Fig. 8 strichpunktiert angedeutet ist.

[00110] Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass die Module selbst zumindest teilweise eingehaust werden, wie dies in Fig. 7 mit der teilweisen Anordnung der Umhüllung 29 an den Modulen angedeutet ist, wobei in der speziellen Ausführungsvariante nach Fig. 7 die Umhüllung 29 sich über zumindest einen Teil beider dargestellter Module erstreckt. Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass jedes Modul für sich selbst zumindest teilweise eine derartige Umhüllung 29 aufweist, die an den entsprechenden Stellen zur Kontaktierung, das heißt zur elektrisch leitenden Verbindung der einzelnen Module miteinander, entsprechende Ausnehmungen aufweisen können, um die elektrischen Leitelemente 9 anzuordnen.

[00111] Die Umhüllung 29 kann beispielsweise aus Kunststoff, einer Keramik oder bevorzugt aus Metall oder aus Kombinationen dieser Materialien bestehen.

[00112] Bevorzugt weisen die thermoelektrischen Elemente 2 eine Höhe von mindestens 1 mm auf. Diese Höhe ist dabei senkrecht orientiert zur gesamten Länge der Vorrichtung 25 bzw. des 11 /19

AT510 473 B1 2013-01-15

Thermogenerators 1.

[00113] Eine Querschnittsfläche der thermoelektrischen Elemente 2 in Richtung auf eine kontaktierte Stirnfläche der thermoelektrischen Elemente 2 betrachtet, beträgt bevorzugt mindestens 4 mm2.

[00114] Gemäß einerweiteren, bevorzugten Ausführungsvariante ist ein Verhältnis der Höhe in Millimeter zur Querschnittsfläche in Quadratmillimeter der thermoelektrischen Elemente 2 ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 : 100 und einer oberen Grenze von 4:1, wobei das Verhältnis jeweils dimensionslos zu betrachten ist.

[00115] Es besteht weiter die Möglichkeit, dass die thermoelektrischen Elemente 2 und/oder die Elementestreifen 23 einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen, also beispielsweise der Querschnitt der einzelnen thermoelektrischen Elemente 2 oder der Elementestreifen 23 in Richtung der Länge der Vorrichtung 25 bzw. des Thermogenerators 1 größer wird.

[00116] Ergänzend sei angemerkt, dass in Sinne der Erfindung unter einem Elementestreifen 23 ein Element verstanden wird, dessen Länge mindestens zweimal, bevorzugt mindestens viermal, insbesondere sechsmal, so groß ist wie die kleinste, den Querschnitt des Elementes definierende Abmessung. Bei einer Kantenlänge von 1,5 mm eines rechteckför-migen Querschnittes (es ist hier im Sinne der Definition die kürzere Kantenlänge der beiden Kantenlängen gemeint) kann also die Länge zumindest 3 mm betragen. Es weist also der Streifen eine deutliche Längserstreckung auf.

[00117] Bevorzugt werden die thermoelektrischen Elemente 2 bzw. der Thermogenerator 1 unter Ausnutzung des Seebeck-Effektes betrieben, wodurch bekanntlich durch die unterschiedliche Temperatur an den verschiedenen Halbleitermaterialien eine elektrische Spannung erzeugt wird. Es besteht bei derartigen thermoelektrischen Elementen 2 aber immer auch die Möglichkeit, dass diese unter Ausnutzung des Peltier-Effektes betrieben werden, dass also Strom zugeführt wird und damit ein Abkühlung der Umgebung der thermoelektrischen Elemente 2 erreicht wird.

[00118] Obwohl die thermoelektrischen Elemente 2 prinzipiell nach aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden können, werden diese bevorzugt über ein Sinterverfahren werkzeugfallend hergestellt, sodass keine bzw. nur eine minimale Nachbearbeitung der Elemente 2 erforderlich ist.

[00119] Es ist weiter möglich, dass auch die äußeren Oberflächen der thermoelektrischen Elemente 2 bzw. der Elementestreifen 23 mit einem Isolierelement 31 aus voranstehenden Gründen versehen sind. AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1: [00120] Die thermoelektrischen Elemente 2 werden werkzeugfallend aus einem Pulver, das eine Zusammensetzung entsprechend einem Skutterudit aufweist, sintertechnisch hergestellt. Auf den Bodenflächen der thermoelektrischen Elemente 2 werden die Diffusionssperrschichten 7 aus NbN oder WN oder TaN durch ALD aufgebracht. In der Folge werden die thermoelektrischen Elemente 2 über die Diffusionssperrschichten 7 mit den Verbindungsschichten 8 aus Pyroduct ® oder durch Silbersintern mit dem Substrat 3 aus AI2O3 verbunden. Das Substrat 3 weist eine beidseitige Cu-Beschichtung auf und ist wie in Fig. 3 dargestellt ausgeführt.

[00121] Auf den Deckflächen der thermoelektrischen Elemente 2 werden die Diffusionssperrschichten 12 aus NbN oder WN oder TaN durch ALD aufgebracht und erfolgt die Kontaktierung mit den Leitelementen 9 aus MoCu über die Kleberschicht 11 aus Pyroduct .

[00122] An den Seitenflächen 13 bis 16 der thermoelektrischen Elemente 2 werden vor deren Anordnung auf dem Substrat 3 die Oxidationssperrschichten 17 aus Al203+Zr02 durch ALD abgeschieden.

[00123] Es wird auf diese Weise ein Modul hergestellt, das eine Anzahl von 36 mäanderförmig angeordneten thermoelektrische Elemente 2 aufweist, die in Serie geschaltet sind. 12/19

ästwreldsischtt pätefsiamt AT510 473 B1 2013-01-15 [00124] Die Kontaktierung des Moduls nach außen erfolgt über Cu-Elektroden, die bereits vor der Anordnung der thermoelektrischen Elemente 2 auf dem Substrat 3 durch Löten hergestellt werden.

[00125] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Thermogenerators 1 dieser bzw. dessen Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.

BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG 1 Thermogenerator 2 Element 3 Substrat 4 Oberfläche 5 Schicht 6 Oberfläche 7 Diffusionssperrschicht 8 Verbindungsschicht 9 Leitelement 10 Kleber 11 Kleberschicht 12 Diffusionssperrschicht 13 Seitenfläche 14 Seitenfläche 15 Seitenfläche 16 Seitenfläche 17 Oxidationssperrschicht 18 Reihe 19 Pluspol 20 Minuspol 21 Ausnehmung 22 Eckbereich 23 Elementestreifen 24 Endbereich 25 Vorrichtung 26 Wärmetauscher 27 Pfeil 28 Verbindungsmittel 29 Umhüllung 30 Umhüllung 31 Isolierelement Patentansprüche 1. Thermogenerator (1) umfassend über eine Länge verteilt mehrere thermo-elektrische Elemente (2), wobei jeweils zwei thermoelektrische Elemente (2) in einem Abstand zueinander angeordnet und mit einem Leitelement (9) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (9) mit jeweils zwei thermoelektrischen Elementen (2) mit einem sauerstoffabbindenden Kleber (10) verbunden ist. 2. Thermogenerator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leitelement (9) und den thermoelektrischen Elementen (2) eine Diffusionssperrschicht (7, 12) angeordnet ist. 13/19

Claims (17)

1. AT510 473B1 2013-01-15
2. 3. Thermogenerator (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (2) eine Deckfläche, eine Bodenfläche sowie dazwischen liegende Seitenflächen (13 bis 16) aufweisen, wobei an zumindest einer der Seitenflächen (13 bis 16) eine Oxidationssperrschicht (17) und/oder eine Sublimationssperrschicht angeordnet ist.
3. 4. Thermogenerator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (2) auf einem DCB-Substrat angeordnet sind.
4. 5. Thermogenerator (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (2) mäanderförmig auf dem DCB Substrat angeordnet sind.
5. 6. Thermogenerator (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das DCB-Substrat zwischen den mäanderförmig angeordneten thermoelektrischen Elementen (2) zumindest eine Ausnehmung (21) aufweist.
6. 7. Thermogenerator (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (21) schlitzförmig ausgebildet sind.
7. 8. Thermogenerator (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Eckbereich (22) der Ausnehmung (21) gerundet ausgebildet ist.
8. 9. Thermogenerator (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beide einander gegenüberliegende Oberflächen (4, 6) des DCB-Substrats metallisiert sind.
9. 10. Thermogenerator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (2) streifenförmig als Elementestreifen (23) angeordnet sind.
10. 11. Thermogenerator (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Elementestreifen (23) zu einem Modul zusammengefasst sind und dass der Thermogenerator (1) zumindest ein derartiges Modul umfasst.
11. 12. Thermogenerator (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Module aus mehreren Elementestreifen (23) in Serie oder parallel geschaltet sind.
12. 13. Thermogenerator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (2) zumindest teilweise eingehaust ist.
13. 14. Thermogenerator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Länge in mm zum Querschnitt in mm2 der thermoelektrischen Elemente (2) ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 : 100 und einer oberen Grenze von 4:1.
14. 15. Thermogenerator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (2) einen rechteckförmigen Querschnitt -in Richtung der Längserstreckung betrachtet - aufweisen.
15. 16. Vorrichtung (25) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme, umfassend eine Wärmequelle sowie zumindest einen Thermogenerator (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Thermogenerator (1) entsprechend einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
16. 17. Vorrichtung (25) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle ein Abgassystem eines Kraftfahrzeuges ist.
17. 18. Vorrichtung (25) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmequelle ein Wärmetauscher (26) zugeordnet ist. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 14/19