CN103403901A - 用于车辆的热电发电机的热电模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热电模块（1），该热电模块具有内周面（2）、轴线（3）和外周面（4），其中沿轴线（3）的方向并且在内周面（2）和外周面（4）之间布置有多个具有热电材料（6）的半导体元件（5）并且该半导体元件交替地彼此电连接，其中至少一部分半导体元件（5）具有至少一个内框架部件（7）或一个外框架部件（8），并且至少内框架部件（7）形成中断的内周面（2），其中内周面（2）还形成热电模块（1）的冷侧（27），并且至少在中断的内周面（2）上设置有形状不稳定的护套（14）。

Description

用于车辆的热电发电机的热电模块

技术领域

本发明涉及一种特别是在热电发电机中使用的热电模块，该热电发电机在车辆中使用。

背景技术

从机动车的内燃机中排出的排气具有热能，该热能可被借助于热电发电机转换为电能，例如用于给电池或另一种蓄电器充电和/或将所需的能量直接输送给用电设备。由此使机动车以改进的能量效率运行，并且在更大的范围中为机动车的运行提供能量。

这种热电发电机具有至少一个热电模块。热电模块例如包括至少两个半导体元件（p型掺杂的和n型掺杂的），该半导体元件在其上侧和下侧上（朝向热侧或冷侧）交替地具有导电桥，并且其形成最小的热电单元或者说热电元件。热电材料是一种能将热能转换为电能（塞贝克效应）并且也能相反地转换（帕尔贴效应）的类型。如果在半导体元件的两侧提供有温度梯度，那么在半导体元件的端部之间形成电位。在较热侧上的带电粒子通过较高温度更多地被激励到导电带（Leitungsband）中。通过导电带中的在此产生的浓度区别，带电粒子扩散到半导体元件的较冷侧上，由此产生电位差。在热电模块中优选地电串联大量半导体元件。为了使串联的半导体元件的产生的电位差不相互抵消，始终交替地使半导体元件和不同的优势带电粒子（n型掺杂的和p型掺杂的）直接电接触。借助于所连接的电负载电阻，能闭合电路并且因此输出电功率。

为了确保半导体元件的持久的可用性，在导电桥和热电材料之间通常布置有防扩散屏障（Diffusionsbarriere），其防止包含于电桥中或焊料中的材料扩散到热电材料中。因此避免了半导体材料或热电元件的效率损失或功能故障。热电模块或半导体元件的结构通常通过各个部件的组合，即热电材料、防扩散屏障、导电桥、绝缘装置和必要时其它的壳体元件的组合来实现。大量单独部件的这种组合也要求精确匹配各个部件的公差并且考虑从热侧到冷侧的热传递以及导电桥的充分接触，以使得能通过热电模块产生电流。

为了将这种半导体元件布置在热电模块中，通常设置有壳体、壁和/或支承管用于在外部界定模块，半导体元件固定在这些部件上。这特别导致，在制造时产生高公差要求，以便一方面实现半导体元件相关于电连接以及壳体位置的精确配合的布置。此外存在的问题是，由于外壳体部件和内壳体部件的不同热负荷，也必须补偿这些部件的不同的膨胀性能而不将特别高的应力导入热电材料中。恰恰在热电模块的这种制造方面期望的是，能容易地相互组合多个部件，以简化储存和操作并且也在组装时产生轻便的、稳定的结构。

在热电模块中基本上通过从热侧到冷侧的热流来确定效率。热侧通常被加载气态的排气并且冷侧被加载液态的冷却介质。由于气态介质的热容量通常明显小于液态介质的热容量，因此有利的是，提高气态介质的热传递面积。出于这个原因，可以恰好当在热侧上提供了较大的热传递面积时明显改进热电模块的效率。

发明内容

由此出发，本发明的目的是，至少部分地解决和现有技术相关地所述的问题。特别应给出一种热电模块，其能技术上简单地制造，具有减少的部件数量，对于期望的使用而言是稳定的，和/或此外具有高效率，以从排气的热能中产生电能。

该目的利用一种根据权利要求1所述特征的热电模块来实现。本发明的其它有利的设计方案在从属权利要求中给出。在权利要求中单独描述的特征能以任意的、技术上合理的方式相互组合并且揭示了本发明的其它设计方案。说明书特别与附图相结合地进一步对本发明进行说明并且列举了本发明的补充的实施例。

根据本发明的热电模块具有内周面、轴线和外周面，其中沿轴线的方向并且在内周面和外周面之间布置有多个具有热电材料的半导体元件并且该半导体元件交替地彼此电连接。此外，至少一部分半导体元件具有至少一个内框架部件，由此内框架部件形成中断的内周面。内周面形成热电模块的冷侧并且还至少在中断的内周面上设置有形状不稳定的护套。

热电模块特别构成热电发电机的一个单独的结构单元。在此优选的是，热电模块具有一接口，利用该接口，这种热电模块在必要时能与多个其它热电模块电联接。在热电模块内部也就特别实现了所有集成在该热电模块中的半导体元件的电连接或者说联接。这种热电模块一方面暴露于冷却介质并且另一方面暴露于加热介质。在此特别要注意到，热电模块通过其内周面与冷却介质接触并且通过其外周面与加热介质（特别是排气）接触，或者说由这些介质流过/环流。因此，内周面实际上形成所谓的冷侧，而外周面形成热电模块的所谓的热侧。

此外优选的是，热电模块设计为长形的，也就是说例如按照轨道或管道的类型设计。虽然非常特别优选的是热电模块以近似如圆柱体或管道的形状构造，然而这种形状并不是强制性的。对于这种热电模块而言特别也可以考虑椭圆形的横截面或多边形的横截面。相应于这种构造也可以识别出中心轴线以及内周面和外周面。内周面在此特别界定了内部通道，冷却介质能流过该内部通道。通过这种布置结构能明显提高管状热电模块的效率，因为气态的排气加载到大面积的外周面上并且冷却介质被引导通过内部通道。

热电材料定位在该内周面和外周面之间，其中这些热电材料分别被配设给所谓的半导体元件。多个这种半导体元件能沿轴线的方向彼此上下堆叠的布置，特别是按照以下类型，即具有p型掺杂的热电材料的半导体元件和具有n型掺杂的热电材料的半导体元件交替地彼此相邻地布置。就这方面来说非常特别优选的是，预先规定的掺杂的半导体元件完全围绕内周面延伸，例如按照盘或环的形式。该热电材料现在被内框架部件和/或外框架部件围住。优选的是，半导体元件具有各一个内框架部件以及外框架部件，该内框架部件以及外框架部件分别在内部和外部完全围绕热电材料。相应于半导体元件的形状，框架部件例如按照环或圆柱体的类型设计。

特别优选的是，热电材料与框架部件力锁合地连接（压紧）。“力锁合的连接”通过力的传递产生。这例如包括压力和/或摩擦力。力锁合的连接的牢固度纯粹通过起作用的力来确保。

此外优选的是，框架部件同时形成用于热电材料以及导电体的防扩散屏障。作为用于框架部件的材料优选的是镍或钼，其中它们分别非常特别优选地具有框架部件的材料中至少95质量百分比。作为热电材料特别视为合适的是以下材料：

n型:Bi₂Te₃;PbTe;Ba_0,3Co_3,95Ni_0,05Sb₁₂;Ba_y(Co,Ni)₄Sb₁₂;CoSb₃;Ba₈Ga₁₆Ge₃₀;La₂Te₃;SiGe;Mg₂(Si,Sn);

p型:(Bi,Sb)₂TE₃;Zn₄Sb₃;TAGS;PbTe;SnTe;CeFe₄Sb₁₂;Yb₁₄MnSb₁₁;SiGe;Mg₂(Si,Sb).

热电材料或半导体元件交替地彼此电连接，因此由于在内周面和外周面之间的温度差而形成了穿过热电模块和热电材料的电流。电连接可以通过金属桥、电缆、焊料或类似物实现。如已经说明地，电连接优选地（仅）借助于框架部件实现。

在热电模块的根据本发明的设计方案中，至少内框架部件不形成连续的内周面和/或必要时额外地外框架部件不形成连续的外周面。这尤其是指，至少内周面和必要时额外地外周面不按照连续的壳体壁的形式设计，而是在此设置有中断处。对于热电模块例如按照管的类型设计的情况而言，可能提供圆柱形的连续的内周面和/或圆柱形的连续的外周面。利用内框架部件仅形成一部分的圆柱形的内周面，因此一部分的这种（设想的）圆柱形的内周面是空置的或中断的。这必要时相应也适用于（设想的）圆柱形的外周面，其随后同样不完全由外框架部件形成。虽然在此对于管状的热电模块进行了说明，可以相应地将这种考虑在适当修正后应用于热电模块的其它横截面形状。在外周面中的这种中断处例如能够实现，甚至在组装半导体元件之后，也能对于安装和/或接合步骤从外部到达内框架部件。对于在此提出的中断处的另一个原因是，热电模块或半导体元件的堆叠的和/或接合的布置结构在外周面或内周面的区域中沿轴线的方向不是刚性的，而是能利用中断处来补偿热膨胀和/或制造公差。如果此外利用每个（布置在中心的）半导体元件不仅在内周面的区域中而且也在外周面的区域中（也就是说例如在一个端面上通过外框架部件和在另一个端面上通过内框架部件）与相邻的半导体元件形成连接区域，那么能形成热电模块的形状稳定的结构，而对此不需要用于稳定或支承该布置结构的另一壳体。特别地能省去一额外的内部的刚性套管和/或一外部的刚性套管。由此可以立即识别出，半导体元件的布置结构或相应框架部件的形成和连接能在技术方面容易地实施。此外，由此可以形成适用于其它加工步骤以及热电发电机中后续使用的坚固的布置结构。

此外被视为有利的是，至少在中断的内周面上或者必要时额外地在中断的外周面上设置有形状不稳定的护套。这种形状不稳定的护套的设置特别用于，阻止不期望的物质侵入到热电材料或半导体元件之间的中间区域中。为了这种目的特别是可以使用塑料薄膜、例如（在外周面上的）所谓的热缩塑性套管。在内周面上特别设置有伸缩软管，该伸缩软管在室温下具有指向外周面的方向的预载力。术语“伸缩软管”表示，护套在无外力作用的情况下向外伸展。也就是说，该护套具有向外指向的预载力。在护套布置在热电模块的内周面上的情况下，护套由于向外指向的预载力而贴靠在内框架部件上并且因此保护半导体元件使其不会（触碰到）在热电模块运行时溢流出内周面的介质、特别是冷却介质。因此例如能借助于形状不稳定的护套来阻止环流内周面的水与热电模块中的电路和/或热电材料相接触。术语“形状不稳定的”护套在此特别表示，热电模块的稳定性仅非常轻微地或仅以可忽略的程度受到该护套的影响。这种稳定性应该通过相邻的框架部件的连接区域来实现。形状不稳定的护套的另一优点在于，该护套在热电模块的热应力的情况下可以弹性变形。因此护套不会产生额外的、可能使热电模块受到负荷的应力。预载力特别在热电模块受到热负荷的情况下至少部分地保持。因此，即使在热电模块的交替热应力的情况下，护套也不会在运行时产生作用到半导体元件上的、或者作用到热电模块中各部件的布置结构上的拉力。这种情况特别在将刚性管用作热电模块的内周面或外周面时发生。由于刚性管分别与例如排气或冷却介质直接接触，因此其和热电模块的其余部件相比更快地加热或更快地冷却。因此刚性管引起热电模块中的热应力，这些热应力可能会至少沿热电模块的径向方向引起各个部件（半导体元件、导电桥、绝缘层）之间的接触故障。通过使用内框架部件和相应中断的内周面，在交替热应力的情况下在很大程度上补偿了热电模块的各个部件的不同伸展或收缩。此外，形状不稳定的护套不会引起热电模块中的其它热应力。

根据热电模块的一个改进方案提出，半导体元件包括热电材料，该热电材料布置在内框架部件和外框架部件之间，其中，至少内框架部件和必要时额外地外框架部件分别在一侧突出于热电材料并且在那里和相邻的框架部件一起形成形状稳定的连接区域。在此非常特别优选的是，热电模块的所有半导体元件（除了在开始处和结束处的半导体元件之外）形成和相邻的框架部件的相应的连接区域。在此非常特别优选的是，外框架部件始终与外框架部件连接并且内框架部件始终与内框架部件连接。就这方面来说特别有利的是，内框架部件和外框架部件在单独的半导体元件中沿不同的方向平行于轴线突出。在此可能的是，每个框架部件仅在热电材料的一侧突出。然而优选的是，在热电材料的两侧，内框架部件和外框架部件分别在一侧更远地突出。这种形状稳定的连接区域例如可以利用钎焊连接、粘合连接或熔焊连接来实现。连接区域特别这样设计（形状稳定的），使得这些连接区域能沿轴线方向和/或相对于轴线的径向方向吸收在车辆中热电发电机运行时出现的静力、动力和热力。为此特别优选的是，连接区域分别在框架部件的整个范围上延伸，例如作为在相邻的内框架部件之间以及必要时在相邻的外框架部件之间的环绕的焊缝。该连接区域特别确保了，热电模块是形状稳定的或者说稳固的，因此实现了多个半导体元件的不会丢失的布置结构。在这种热电模块中，在此特别堆叠了多于10个、特别是多于30个和优选地多于50个这种半导体元件并且与连接区域交替地构造。即使在这种大的、长形的热电模块中，也可以省去起稳定作用的额外的内壁和/或额外的外壁，由此特别能降低制造投入并且减少材料花费。

根据热电模块的一个优选的设计方案，至少内框架部件或外框架部件具有绝缘层。该绝缘层可以局部地或完全地设置在内框架部件的表面上和/或外框架部件的表面上，并且特别用于使电流路径电绝缘。为此特别考虑包括氧化铝（Al₂O₃）或类似物的绝缘层。

此外被视为有利的是，在中断的内周面中，在相邻的内框架部件之间形成自由空间，该自由空间相应于相邻的半导体元件的热电材料的间距。这特别是表示，半导体元件与内框架部件的布置是这样的，即在内周表面的中断处的区域中实现了尽可能大的自由空间并且该自由空间特别不受到内框架部件的突出的区域的限制。

这特别能实现，在此能利用最大可用的自由空间，以便例如从外部实现该自由空间中在外框架部件上的连接区域。因此特别可以借助于焊接装置实现在位于外部的外框架部件之间的焊缝，必要时处于半导体元件之间（自由空间中）的绝缘装置不会由于连接过程而受损。在装配好的状态下，通常形成沿圆周方向环绕的自由空间，该自由空间被相邻的外框架部件、相邻的热电材料的对置的上侧和下侧以及内周面的配设的中断处的径向位于内部的周面限定。对于预先规定了圆柱形的、管状的热电模块的情况，自由空间随后基本上具有相对于轴线同心地布置的并且在相邻的热电材料之间延伸的环的形状。

类似的实施方式特别也适用于外框架部件，因此能从外框架部件到达内框架部件。借助于在半导体元件之间的自由空间，可以在内框架部件之间建立连接。这特别由此实现，即外框架部件与热电材料的侧表面齐平地终止。因此使相邻的外框架部件和相邻的热电材料的上侧或下侧的间距一样远地彼此远离。在装配好的状态下因此相应地形成沿圆周方向环绕的自由空间，该自由空间被相邻的外框架部件、相邻的热电材料的对置的上侧和下侧以及外周面的配设的中断处的径向位于外部的周面限定。

根据一个改进方案，至少在中断的内周面中，在相邻的内框架部件之间形成自由空间，该自由空间填充有多孔的绝缘材料。这特别意味着，在相邻的热电材料之间的可从径向内部进入的自由空间不（仅仅）被填充空气，而是在此（额外地）设置有多孔的绝缘材料。该材料特别用于，在相邻的半导体元件之间的过渡区域中实现电绝缘。绝缘材料同样可以用于，减少或者防止在自由空间的区域中在内周面和外周面之间的显著的温度补偿。绝缘材料的多孔的设计方案特别导致，该绝缘材料非常轻便并且仍能具有高份额的空气作为热绝缘体。作为这种多孔的绝缘材料特别考虑了高孔隙度的

固体，其中例如存在至少95%的或者甚至至少99%的孔容积。绝缘材料在此优选地具有多分支的（stark dendritische）结构，也就是说具有非常多的开孔形式的空隙的颗粒链的分支，因此特别形成了相对稳定的、海绵型的网状结构。在此，非常特别优选的是使用例如基于硅酸盐的所谓的气凝胶。多孔的绝缘材料可以在必要时额外地也被布置在形成于相邻的外框架部件之间的自由空间中。

此外被视为有利的是，至少在内周面上设置的形状不稳定的护套是伸缩软管，该伸缩软管在室温下具有指向外周面的预载力。

根据一个有利的改进方案，形状不稳定的护套/伸缩软管具有至少一个产生预载力的弹簧元件。弹簧元件特别是弹簧环，该弹簧环与形状不稳定的护套相连接。该弹簧环被压缩并且被推入到内部通道中以用于安装形状不稳定的护套。至少一个弹簧环的弹簧作用使得不稳定的护套被固定在热电模块的内周面上。特别地，至少一个弹簧环至少部分地放置在内框架部件上，并且不仅布置在自由空间的区域中。但是，如果在自由空间中布置有（非气态的）绝缘材料，那么这种布置结构（弹簧环仅放置在自由空间的区域中）是特别有利的。

根据一个特别有利的设计方案，形状不稳定的护套至少部分地由以下材料中的至少一种材料制成：形状记忆合金（shape memory alloy-SMA），形状记忆聚合物（shape memory polymer-SMP）。

形状不稳定的护套（或者也是伸缩软管）因此可以布置在内周面上并且例如通过加热而转换为其初始形状。该初始形状优选地大于热电模块的内周面，因此在转换之后在内周面上产生了径向向外指向的预载力。形状记忆材料的特征在于，尽管以后会剧烈变形，该材料仍能“回忆起”初始形状。在此，特别优选作为形状不稳定的护套的是具有所谓的单向（记忆）效应的材料。该效应包含例如在加热时的一次性的形状改变。在此，形状往回改变是不可能的。由此可以确保，形状不稳定的护套在成功地布置在内周面上之后被持久地定位。以下材料中的至少一种适合作为形状记忆合金：镍钛、铜锌、铜锌铝、铜铝镍和/或铁镍铝合金。形状记忆聚合物例如包括热塑性塑料、热固化材料、互穿网络、半互穿网络和/或混合网。聚合物可以是单独的聚合物或聚合物的混合物。聚合物可以是直链的或支链的具有侧链或分支的结构元素的热塑性弹性体。适合用于形成形状记忆聚合物的聚合物组分包括例如：聚磷腈、聚乙烯醇、聚酰胺、聚酯酰胺、聚氨基酸、聚酸酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚烷撑（Polyalkylene）、聚丙烯酰胺、聚亚烷基二醇、聚环氧烷、聚对苯二甲酸亚烷基酯、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚乙烯卤化物（polyvinylhologenides）、聚酯、聚交酯、聚乙交醇酸酯、聚硅氧烷、聚氨酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯以及它们的共聚物。在必要时这些材料也可以相互组合，以便形成形状不稳定的护套，其中在必要时连接元件（灵活地）将不同材料制成的单独部分（例如环）保持在一起。材料在形状不稳定的护套中的布置可以特别在考虑运行时的温度应力的情况下进行。

特别地，在室温（20℃）下，形状不稳定的护套/伸缩软管在内框架部件上的预载力为至少15N/mm²（牛顿每平方毫米），特别为至少20N/mm²。根据一个有利的设计方案，在150℃到250℃之间的温度下，在形状不稳定的护套上，在内框架部件上的预载力为至少10N/mm²，优选为至少15N/mm²。

此外被视为有利的是，在形状不稳定的护套和内周面之间以及在必要时额外在形状不稳定的护套和外周面之间布置有粘合剂。该粘合剂特别布置在形状不稳定的护套和形成内周面的内框架部件之间。因此可以在热电模块的所谓的冷侧上使用合适的粘合剂，其具有至少150℃、特别是至少200℃的“低”耐热性。在此，最大的耐热性特别为250℃。粘合剂特别是能导热的，因此通过热电模块的热流仅在小程度上被影响。

此外被视为有利的是，半导体元件的热电材料至少部分地具有涂层。这种涂层特别用于，持久地确保热电材料的成分或组分。涂层特别设置在热电材料的侧表面或上侧和/或下侧的整个区域上，因此非常特别优选的是，热电材料被内框架部件、外框架部件和该涂层完整地围住。

本发明特别提出了在车辆中、特别是在机动车中的应用。因此提出了一种具有内燃机、排气系统和冷却系统的机动车，其中，设置有热电发电机，该热电发电机具有多个在此根据本发明所描述的模块，其中，排气系统在外部沿热电模块的外周面延伸，并且冷却系统穿过热电模块的内周面延伸。换句话说这也表示，例如冷却剂系统的冷却剂在内部穿过由热电模块的内周面界定的通道流动，使得热电模块的内周面表现为冷侧。这同样表示，热的排气在外部沿热电模块的外周面被导引，从而外周面随后表现为热侧。特别优选的是，热电发电机在此按照管束的类型构造，其中一方面多个这种热电模块随后连接于冷却系统，使得它们被一冷却剂流所流过，而另一方面热电模块例如布置在一共同的（隔开的）壳体中，使得它们能共同被排气环流。当然可以设置相应的电接口和线路，以便实现安全的发电和电流、冷却剂和排气的传输。

附图说明

下面根据附图详细说明本发明以及现有技术。需要指出，在附图中示出的实施例是优选的，然而本发明并不限于此。附图示意性地示出：

图1：形成一个热电模块的多个半导体元件的布置，

图2：穿过热电模块的一个实施变体的横截面，

图3：穿过半导体元件的另一个实施变体的横截面，和

图4：具有热电发电机的车辆的示意图。

具体实施方式

在图1中示意性示出，如何能将多个半导体元件5装配在一起，以便制造具有根据本发明列出的性能的热电模块。首先在此确认，所有半导体元件5基本上相同地设计，特别地这涉及外框架部件8、热电材料6、和内框架部件7的布置结构和尺寸。热电元件的适当的连接或期望的构造这样来实现，即半导体元件5沿轴线3的方向以相反的定向彼此交替地布置。因此实现了，相邻的半导体元件在堆叠过程中（仅）通过内框架部件7或外框架部件8彼此接触。在此特别优选的是，所有半导体元件5——半导体元件沿轴线3的第一方向对齐——的热电材料6具有相同的掺杂（例如n型掺杂的）。分别布置在其之间的、沿轴线3的第二相反方向对齐的半导体元件5具有另一掺杂（例如p型掺杂的）。

在这里示出的实施变体中，半导体元件5按照环形盘的类型设计，其中特别是热电材料6按照圆环盘的类型设计。热电材料6的径向位于内部的周面和位于外部的周面分别被（一体的）外框架部件8或（一体的）内框架部件7遮盖。半导体元件5进一步这样构造，即外框架部件8在热电材料6的一侧上形成突出部9，而内框架部件7在对置侧上形成突出于热电材料6的突出部9。该设计方案与该突出部的交替对置定向共同允许了，相邻的半导体元件5通过内框架部件7以及通过相邻的外框架部件8形成连接区域10。在此，突出部9形成一种环形的卡圈，该卡圈能在端面侧（靠接）装配。该靠接区域特别用于形成材料结合的连接（材料结合的连接指的是这样的连接，其中连接对例如在粘合、钎焊、熔焊等情况下被通过原子力和/或分子力保持在一起），特别是环绕的焊缝。

此外已经由图1看出，这样装配的半导体元件5不形成连续的内周面2和不形成连续的外周面4。这特别可以从以下事实识别，即在一横截面中——在该横截面中实现了内框架部件7的连接区域10——在外部未设置有外框架部件8，并且反之亦然。因此特别也意味着，（单独的）外框架部件8不同时与相邻的半导体元件5的两个相邻的外框架部件8接触。同样适宜的是，半导体元件5的（单独的）内框架部件7不与相邻的半导体元件5的两个框架部件7、8接触。因此外框架部件8不完全填满（设想的）外周面4，同样内框架部件7不填满整个内周面2。更确切地说，在两种情况下形成了中断处25。在此特别从这样的概念出发，即内周面2和外周面4可以通过周面部段描述，其基本上具有和轴线3的相同距离。如果这是指例如圆柱形的、管状的热电模块，那么因此外框架部件8和内框架部件7例如同样形成为圆柱形，因此也形成圆柱形的内周面2和外周面4，它们穿过各个外框架部件8和内框架部件7延伸。例如当框架部件形成椭圆形的或多边形的周面时，则可以作出相应的考虑，因此热电模块随后总体上也具有椭圆形的或多边形的内周面/外周面，其中分别容纳了外框架部件和内框架部件的相应的圆周部段。那么根据本发明特别在于，外框架部件8和内框架部件7不形成连续的内周面/外周面，而是形成中断的、亦即不完全填满的内周面/外周面。

图2示出热电模块1的装配好的实施变体。在此，半导体元件5以靠接方式交替地沿轴线3布置并且彼此固定住。半导体元件5的交替布置以这种方式实现，即内框架部件7彼此贴靠并且形成连接区域10（例如焊缝），从而与此相邻地形成自由空间11，该自由空间径向向外延伸至外周面4。同样适合于从彼此贴靠的外框架部件8径向向内延伸的自由空间11。自由空间11这样构造，即该自由空间相应于相邻半导体元件5的热电材料6的间距12。为了进行说明，因此在根据图2的右上部区域中未示出元件（绝缘材料13），然而该元件实际上被设置用于运行。

此外在此可识别出，在中断的内周面2上和也在中断的外周面4上设置有形状不稳定的护套14。在内周面2上的护套14例如可以在热电模块1的部件的布置或制备之后被推入半导体元件5内的通道18中。为此特别提供了一种塑料薄膜、例如伸缩软管，其具有弹簧元件16（例如弹簧环）。通过弹簧元件16，预载力15作用于内周面2。该伸缩软管或该形状不稳定的护套14确保了，水不能渗入内周面2内的区域中。同样确保了向半导体元件5或内框架部件7的良好的热传导或冷却。为此护套14相应设计为薄的。弹簧元件16在此形成凸起部28，该凸起部引起冷却介质的混合并且避免层状边缘流动以及因此能提高热电模块1的效率。弹簧元件16在此这样布置，即该弹簧元件贴靠在内框架部件7上。在形状不稳定的护套14和内框架部件7之间布置有粘合剂17，从而特别实现了在内框架部件7和形状不稳定的护套14之间的密封连接。特别地，粘合剂17仅布置在热电模块1的在形状不稳定的护套14和内框架部件7之间的各个端部上，从而在此实现相对于例如冷却系统的密封连接。冷却介质流过热电模块1并在此穿过通道18流动。相应地，内周面2形成冷侧27。热电模块1的外周面4在此被排气流过并且相应地形成热侧29。

在打开的自由空间11的区域中还设置有多孔的绝缘材料13。在此它特别是指所谓的气凝胶。由此一方面确保了期望的大的温度梯度，并且另一方面确保了自由空间11的电中性。在此优选的是，多孔的绝缘材料13填满整个自由空间11。

图3示出用于这种热电模块的半导体元件5的一个实施变体的横截面。在此，半导体元件5例如设计为圆柱形的、四角形的或椭圆形的。在这里提出的实施变体中又设置有基本上设计为环形的热电材料6，该热电材料例如由经过压制的粉末组成。同样优选的是，该热电材料6通过压制而力锁合地（和/或材料结合地）与内框架部件7和/或外框架部件8相连接。在此设计为，利用外框架部件8形成朝向上方的较大突出部9，和利用外框架部件8形成朝向下方的较小突出部9，以及利用内框架部件7形成较大突出部9。以这种方式，能在布置过程中以期望的方式构造关于相邻的半导体元件的接触区域或自由空间以形成热电模块。为了保护热电材料6例如防止受到化学应力、热应力和/或损害，热电材料6在边界面上——在该边界面上该热电材料不被内框架部件7或外框架部件8遮盖——具有涂层19。在此，涂层19具有的厚度至少比外框架部件8、内框架部件7和/或热电材料6自身的壁厚小多倍。作为用于该涂层19的材料，例如考虑具有镍或钼的、特别是几乎完全由这些材料制成的涂层19。涂层19在此用作热电材料6的防扩散障碍物（Diffusionssperre）。在外框架部件8上还示出了绝缘层26，该绝缘层使导电的框架部件8径向向外电绝缘，例如相对于以后要布置在那里的外管电绝缘。

最后在图4中示意性地还示出车辆20的结构，该车辆具有内燃机21、排气系统22和冷却系统23。此外车辆20具有热电发电机24，该热电发电机具有多个在此根据本发明提出的热电模块1。热电发电机24与排气系统22和冷却系统23这样共同构造，即在模块1的外周面4上实现热侧，并在热电模块1的内周面2上实现冷侧。为此，至少一部分排气被这样导引至热电发电机24，即，在排气被重新输送给排气系统22（或内燃机21）之前，排气在外部环绕热电模块1流动。为了形成相关于热电模块1的所需的温度曲线，冷却介质还被借助于冷却系统23穿过单独的热电模块1导引并且最后被重新输送给冷却系统23（或内燃机21）。当然可能的是，冷却系统23和/或排气系统22设计具有用于排气和/或冷却介质的第二回路。同样可能的是，例如在排气系统中设置有额外的热交换器、阀门、催化器等。同样显而易见的是，热电发电机24也例如通过合适的集电器、蓄电装置、控制器等与车辆20电连接。

因此本发明至少部分地解决了相关于现有技术所述的问题。特别给出一种热电模块，该热电模块能技术上容易地制造，具有减少的部件数量，对于期望的使用而言是稳定的，并且还具有高效率以从排气的热能中产生电能。

附图标记列表：

Claims (10)

1.一种热电模块（1），所述热电模块具有内周面（2）、轴线（3）和外周面（4），其中沿所述轴线（3）的方向并且在所述内周面（2）和外周面（4）之间布置有多个具有热电材料（6）的半导体元件（5）并且所述半导体元件交替地彼此电连接，其中至少一部分半导体元件（5）至少具有内框架部件（7），因此内框架部件（7）形成中断的内周面（2），其中内周面（2）还形成所述热电模块（1）的冷侧（27），并且至少在所述中断的内周面（2）上设置有形状不稳定的护套（14）。

2.根据权利要求1所述的热电模块（1），其中，所述半导体元件（5）包括布置在内框架部件（7）和外框架部件（8）之间的热电材料（6），其中，至少所述内框架部件（7）在一侧突出于所述热电材料（6）并且在那里和相邻的框架部件一起形成形状稳定的连接区域（10）。

3.根据前述权利要求中任一项所述的热电模块（1），其中，至少在所述中断的内周面（2）中，在相邻的内框架部件（7）之间形成自由空间（11），所述自由空间填充有多孔的绝缘材料（13）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的热电模块（1），其中，至少在内周面（2）上设置的形状不稳定的护套（14）是伸缩软管，所述伸缩软管在室温下具有指向外周面（4）的预载力（15）。

5.根据权利要求4所述的热电模块（1），其中，所述形状不稳定的护套（14）具有至少一个产生所述预载力（15）的弹簧元件（16）。

6.根据权利要求4或5所述的热电模块（1），其中，所述形状不稳定的护套（14）至少部分地由以下材料中的至少一种材料制成：形状记忆合金（SMA），形状记忆聚合物（SMP）。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的热电模块（1），其中，在室温下，在所述内框架部件（7）上的预载力（15）为至少15N/mm²。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的热电模块（1），其中，在所述形状不稳定的护套（14）上，在150℃到250℃之间的温度下，在所述内框架部件（7）上的预载力（15）为至少10N/mm²。

9.根据前述权利要求中任一项所述的热电模块（1），其中，在所述形状不稳定的护套（14）和至少内周面（2）之间布置有粘合剂（17）。

10.一种车辆（20），所述车辆具有内燃机（21）、排气系统（22）和冷却系统（23），其中，设置有热电发电机（24），所述热电发电机具有多个根据前述权利要求中任一项所述的热电模块（1），其中，所述排气系统（22）在外部沿热电模块（1）的外周面（4）延伸，并且所述冷却系统（23）在热电模块（1）的内周面（2）内部并沿所述内周面延伸。

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