DE102010030259A1 - Thermoelectric module for internal combustion engine of motor car, has semiconductor elements that are arranged in interstice formed between hot and cold sides, where remaining volume of interstice is filled by insulating material - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul zur Erzeugung elektrischer Energie, z. B. aus dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, mittels eines Generators. Damit ist insbesondere ein Generator zur Umwandlung thermischer Energie eines Abgases in elektrische Energie gemeint, also ein so genannter thermoelektrischer Generator.The present invention relates to a thermoelectric module for generating electrical energy, for. B. from the exhaust of an internal combustion engine, by means of a generator. This means, in particular, a generator for converting thermal energy of an exhaust gas into electrical energy, that is to say a so-called thermoelectric generator.
Das Abgas aus einem Motor eines Kraftfahrzeuges besitzt thermische Energie, welche mittels eines thermoelektrischen Generators in elektrische Energie umgewandelt werden kann, um beispielsweise eine Batterie oder einen anderen Energiespeicher zu füllen oder elektrischen Verbrauchern die benötigte Energie direkt zuzuführen. Damit wird das Kraftfahrzeug mit einem besseren energetischen Wirkungsgrad betrieben, und es steht für den Betrieb des Kraftfahrzeuges Energie in größerem Umfang zur Verfügung.The exhaust gas from an engine of a motor vehicle has thermal energy, which can be converted by means of a thermoelectric generator into electrical energy, for example, to fill a battery or other energy storage or electrical loads to supply the required energy directly. Thus, the motor vehicle is operated with a better energy efficiency, and it is available for the operation of the motor vehicle energy to a greater extent.
Ein solcher thermoelektrischer Generator weist zumindest eine Mehrzahl thermoelektrischer Wandlerelemente auf. Thermoelektrische Materialien sind von einer Art, dass diese effektiv thermische Energie in elektrische Energie umwandeln können (Seebeck-Effekt) und umgekehrt (Peltier-Effekt). Solche thermoelektrischen Wandlerelemente weisen bevorzugt eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen auf, die zwischen einer sogenannten Heißseite und einer sogenannten Kaltseite positioniert sind. Thermoelektrische Elemente umfassen z. B. wenigstens zwei Halbleiterelemente (p- und n-dotiert), die auf ihrer Ober- und Unterseite (hin zur Heißseite bzw. Kaltseite) wechselseitig mit elektrisch leitenden Brücken versehen sind. Keramikplatten bzw. Keramikbeschichtungen und/oder ähnliche Materialien dienen zur Isolierung der Metallbrücken und sind somit bevorzugt zwischen den Metallbrücken angeordnet. Wird ein Temperaturgefälle beidseits der Halbleiterelemente bereitgestellt, so bildet sich zwischen den Enden des Halbleiterelementes ein Spannungspotential aus. Die Ladungsträger auf der heißeren Seite werden durch die höhere Temperatur vermehrt in das Leitungsband angeregt. Durch den dabei erzeugten Konzentrationsunterschied im Leitungsband diffundieren Ladungsträger auf die kältere Seite des Halbleiterelementes, wodurch die Potentialdifferenz entsteht. In einem thermoelektrischen Modul sind zahlreiche Halbleiterelemente elektrisch in Reihe geschaltet. Damit sich die generierte Potenzialdifferenz der seriellen Halbleiterelemente nicht gegenseitig aufhebt, sind stets wechselweise Halbleiterelemente mit unterschiedlichen Majoritätsladungsträgern (n- und p-dotiert) in direkten elektrischen Kontakt gebracht. Mittels eines angeschlossenen Lastwiderstands kann der Stromkreis geschlossen und somit elektrische Leistung abgegriffen werden.Such a thermoelectric generator has at least a plurality of thermoelectric conversion elements. Thermoelectric materials are of a type that can effectively convert thermal energy into electrical energy (Seebeck effect) and vice versa (Peltier effect). Such thermoelectric conversion elements preferably have a multiplicity of thermoelectric elements which are positioned between a so-called hot side and a so-called cold side. Thermoelectric elements include z. B. at least two semiconductor elements (p- and n-doped), which are mutually provided on their upper and lower sides (towards the hot side or cold side) with electrically conductive bridges. Ceramic plates or ceramic coatings and / or similar materials serve to insulate the metal bridges and are thus preferably arranged between the metal bridges. If a temperature gradient is provided on both sides of the semiconductor elements, a voltage potential forms between the ends of the semiconductor element. The charge carriers on the hotter side are increasingly excited by the higher temperature in the conduction band. Due to the difference in concentration in the conduction band, charge carriers diffuse on the colder side of the semiconductor element, which results in the potential difference. In a thermoelectric module, numerous semiconductor elements are electrically connected in series. So that the generated potential difference of the serial semiconductor elements does not cancel each other out, alternate semiconductor elements with different majority charge carriers (n- and p-doped) are always brought into direct electrical contact. By means of a connected load resistor, the circuit can be closed and thus electrical power can be tapped.
Es ist bereits versucht worden, entsprechende thermoelektrische Generatoren für die Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftfahrzeugen, bereitzustellen. Diese waren jedoch meist sehr teuer in der Herstellung und gekennzeichnet durch einen relativ geringen Wirkungsgrad. Damit konnte noch keine Serientauglichkeit erlangt werden.It has already been tried to provide corresponding thermoelectric generators for use in motor vehicles, especially passenger cars. However, these were usually very expensive to manufacture and characterized by a relatively low efficiency. Thus, no serial production could be achieved.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein thermoelektrisches Modul angegeben werden, das für vielseitige Einsatzfälle geeignet ist, und das einen verbesserten Wirkungsgrad hinsichtlich der Umwandlung von bereitgestellter thermischer Energie in elektrische Energie unter gleichzeitiger Berücksichtigung der eingebrachten Menge an kostenintensivem Halbleitermaterial ermöglicht.On this basis, it is an object of the present invention, at least partially solve the problems described with reference to the prior art. In particular, a thermoelectric module is to be specified, which is suitable for versatile applications, and which allows improved efficiency in terms of the conversion of provided thermal energy into electrical energy while taking into account the introduced amount of costly semiconductor material.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem thermoelektrischen Modul gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie die Integration dieser Vorrichtungen in übergeordnete Baueinheiten und deren Verwendung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung weiter und führt ergänzende Ausführungsbeispiele der Erfindung an.These objects are achieved with a thermoelectric module according to the features of
Das erfindungsgemäße thermoelektrische Modul weist zumindest eine Heißseite mit einer ersten Fläche und einer Kaltseite mit einer zweiten Fläche sowie einem zwischen der Heißseite und der Kaltseite angeordneten Zwischenraum auf, wobei in dem Zwischenraum eine Mehrzahl von p- und n-dotierter Halbleiterelemente abwechselnd angeordnet ist, die wechselweise elektrisch miteinander verbunden sind. Bei dem thermoelektrischen Modul ist wenigstens eine der beiden Bedingungen erfüllt:
- a) höchstens 70% der ersten Fläche oder/und der zweiten Fläche ist mit Halbleiterelementen kontaktiert, und
- b) höchstens 70% des Zwischenraums ist durch die Halbleiterelemente ausgefüllt.
- a) at most 70% of the first surface and / or the second surface is contacted with semiconductor elements, and
- b) at most 70% of the gap is filled by the semiconductor elements.
Dabei ist das übrige Volumen des Zwischenraums zwischen den Halbleiterelementen durch ein Isolationsmaterial ausgefüllt und die Wärmeleitfähigkeit des thermoelektrischen Moduls bei einem Betriebspunkt durch die wenigstens eine Bedingung a) und b) so eingestellt ist, dass zwischen 40% und 60% der Gesamttemperaturdifferenz von Heißseite und Kaltseite über dem thermoelektrischen Modul abfällt.In this case, the remaining volume of the gap between the semiconductor elements is filled by an insulating material and the thermal conductivity of the thermoelectric module at an operating point by the at least one condition a) and b) is set so that between 40% and 60% of the total temperature difference of hot side and cold side drops over the thermoelectric module.
Ganz besonders bevorzugt ist, dass beide Bedingungen a) und b) erfüllt sind.It is very particularly preferred that both conditions a) and b) are satisfied.
Die hier vorgeschlagene thermoelektrische Vorrichtung ist insbesondere lagenweise bzw. schichtartig mit insbesondere einer Mehrzahl von (gleichen) Modulen zu einem thermoelektrischen Generator zusammengesetzt. Insbesondere bilden mehrere miteinander verbundene Module einen thermoelektrischen Generator. Dabei ist das thermoelektrische Modul insbesondere in einem Gehäuse angeordnet, in dem auch mehrere thermoelektrische Module zusammen als Baueinheit zur Bildung eines thermoelektrischen Generators angeordnet sein können.The thermoelectric device proposed here is composed in particular in layers or in layers, in particular with a plurality of (identical) modules to form a thermoelectric generator. In particular, a plurality of interconnected modules form a thermoelectric generator. The thermoelectric module is arranged in particular in a housing in which a plurality of thermoelectric modules can be arranged together as a unit for forming a thermoelectric generator.
Das thermoelektrische Modul weist insbesondere zusätzlich Abdichtungsmittel auf, die den Zwischenraum für die Halbleiterelemente in dem Einbauraum begrenzen und nach außen abschließen. Bevorzugt sind insbesondere an Enden des Moduls Anschlusselemente vorgesehen, die die jeweils an den Enden des Moduls gelegenen Halbleiterelemente des thermoelekrischen Moduls elektrisch kontaktieren und so den im thermoelektrischen Modul erzeugten elektrischen Strom an einen Speicher oder Verbraucher eines Kraftfahrzeuges weiterleiten können.In particular, the thermoelectric module additionally has sealing means which limit the gap for the semiconductor elements in the installation space and terminate to the outside. Preferably, in particular at the ends of the module, connecting elements are provided which electrically contact the respective semiconductor elements of the thermoelec tric module situated at the ends of the module and can thus pass on the electric current generated in the thermoelectric module to a memory or consumer of a motor vehicle.
Die Halbleiterelemente sind insbesondere nebeneinander zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche angeordnet, wobei die erste Fläche und die zweite Fläche insbesondere die äußere Begrenzung des thermoelektrischen Moduls bilden. Die erste und zweite Fläche bildet dabei eine Wärmeübergangsschicht, die einen Wärmeübergang von dem thermoelektrischen Modul hin zu den das thermoelektrische Modul umströmenden Fluiden ermöglicht. Dabei ist die erste Fläche als Heißseite insbesondere mit einem Fluid mit erhöhter Temperatur, z. B. einem Abgas, und die zweite Fläche als Kaltseite insbesondere mit einem Fluid niedriger Temperatur, z. B. einem Kühlmittel, in wärmeübertragender Verbindung. Dadurch bildet sich über das thermoelektrische Modul hinweg eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche aus, die in Folge des „Seebeck-Effektes” eine elektrische Spannung über wechselweise elektrisch miteinander verbundenen Halbleiterelementen erzeugt.The semiconductor elements are in particular arranged side by side between the first surface and the second surface, wherein the first surface and the second surface in particular form the outer boundary of the thermoelectric module. In this case, the first and second surfaces form a heat transfer layer, which enables a heat transfer from the thermoelectric module to the fluids flowing around the thermoelectric module. Here, the first surface as a hot side, in particular with a fluid with elevated temperature, for. As an exhaust gas, and the second surface as a cold side, in particular with a fluid low temperature, for. As a coolant, in heat-transmitting connection. As a result, a temperature difference is formed across the thermoelectric module between the first surface and the second surface, which as a result of the "Seebeck effect" generates an electrical voltage via semiconductor elements which are mutually electrically interconnected.
Die Halbleiterelemente weisen an ihren jeweils entweder der Heißseite oder der Kaltseite zugewandten Enden metallische Brücken auf, durch die die Halbleiterelemente elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Diese metallischen Brücken können sowohl an den Seitenflächen der jeweiligen Halbleiterelemente angeordnet sein als auch an den jeweiligen Stirnflächen. Die metallischen Brücken sind ihrerseits elektrisch isoliert gegenüber der Heißseite bzw. Kaltseite ausgeführt, so dass ein ungewollter Stromübergang zwischen nicht über die metallischen Brücken elektrisch leitend miteinander verbundene Halbleiterelemente hier nicht erfolgen kann. Die Halbleiterelemente weisen an ihren der Heißseite sowie der Kaltseite zugewandten Enden jeweils eine Stirnfläche auf, mit der sie im Sinne der vorliegenden Erfindung mit der ersten Fläche bzw. mit der zweiten Fläche kontaktiert sind. Dabei kommt es hier nicht darauf an, dass die jeweiligen Enden z. B. mit metallischen Brücken versehen sind, oder dass die metallischen Brücken gegenüber der Heiß- bzw. Kaltseite eine zusätzliche elektrische Isolierung aufweisen. Hier ist die flächige Abdeckung der ersten oder zweiten Fläche durch die jeweilige Stirnfläche der Halbleiterelemente von Bedeutung, weil diese Flächenbeaufschlagung gleichzeitig den Raumausnutzungsgrad bzw. Flächennutzungsgrad der Heißseite bzw. Kaltseite bzw. des zwischen dieser Heißseite und Kaltseite vorliegenden Zwischenraumes beschreibt. Mit anderen Worten heißt das auch, dass an den jeweiligen Stirnseiten der Halbleiterelemente jeweils eine Querschnittsfläche vorliegt, die auf der jeweiligen Heißseite bzw. Kaltseite für alle Halbleiterelemente aufsummiert höchstens 70% der gesamten ersten Fläche und/oder der gesamten zweiten Fläche aufweisen soll.The semiconductor elements have at their respective either the hot side or the cold side facing the ends of metallic bridges through which the semiconductor elements are electrically conductively connected to each other. These metallic bridges can be arranged both on the side surfaces of the respective semiconductor elements and on the respective end faces. The metallic bridges are in turn electrically insulated from the hot side or cold side, so that an unwanted current transition between not over the metallic bridges electrically interconnected semiconductor elements can not be done here. The semiconductor elements each have an end face on their ends facing the hot side and the cold side, with which they are contacted with the first surface or with the second surface in the sense of the present invention. It does not matter here that the respective ends z. B. are provided with metallic bridges, or that the metallic bridges with respect to the hot or cold side have an additional electrical insulation. Here, the areal coverage of the first or second area by the respective end face of the semiconductor elements is important because this Flächenbeaufschlagung simultaneously describes the space efficiency or land use of the hot side or cold side or between this hot side and cold side gap. In other words, this also means that in each case a cross-sectional area is present at the respective end faces of the semiconductor elements, which is summed up on the respective hot side or cold side for all semiconductor elements at most 70% of the entire first surface and / or the entire second surface.
Die erste Fläche und die zweite Fläche wird begrenzt durch den für die Halbleiterelemente verfügbaren Bauraum, das heißt, die erste Fläche bzw. zweite Fläche und der Zwischenraum erstreckt sich z. B. zwischen den jeweils vorliegenden Abdichtungsmitteln an dem jeweiligen Ende des thermoelektrischen Moduls. Auf diesen Flächen bzw. innerhalb dieses Zwischenraumes können thermoelektrische Halbleiterelemente angeordnet werden. Bisher ist davon ausgegangen worden, dass eine möglichst hohe Raumausnutzung dieses Zwischenraumes bzw. eine möglichst hohe Flächenausnutzung auf der Heißseite bzw. Kaltseite erforderlich ist, um eine hohe Umsetzung der verfügbaren thermischen Energie in elektrische Energie infolge des thermoelektrischen Generators zu ermöglichen. Die Raumausnutzung und die Auswahl des Füllmaterials richteten sich (bevorzugt ausschließlich) nach den Anforderungen der mechanischen bzw. chemischen Stabilität des Moduls. Die vorliegende Erfindung hat erstmalig erkannt, dass die Raumausnutzung und die Auswahl des Füllmaterials genutzt werden muss, um die thermischen Widerstände der einzelnen funktionalen Schichten anzupassen, weil die Temperaturaufteilung zwischen dem Abgas, der Heißseite, der Kaltseite und dem Kühlmittel dadurch leistungssteigernd ausgelegt werden kann.The first surface and the second surface is limited by the space available for the semiconductor elements, that is, the first surface or second surface and the gap extends z. B. between the respective present sealing means at the respective end of the thermoelectric module. Thermoelectric semiconductor elements can be arranged on these surfaces or within this intermediate space. So far, it has been assumed that the highest possible space utilization of this gap or the highest possible space utilization on the hot side or cold side is required to a to allow high conversion of the available thermal energy into electrical energy due to the thermoelectric generator. The space utilization and the selection of the filling material were directed (preferably exclusively) according to the requirements of the mechanical or chemical stability of the module. The present invention has for the first time recognized that the utilization of space and the selection of filling material must be used to adapt the thermal resistances of the individual functional layers, because the temperature distribution between the exhaust gas, the hot side, the cold side and the coolant can be designed to increase performance.
Die erzeugbare elektrische Leistung des thermoelektrischen Moduls ergibt sich vereinfacht ausgedrückt aus dem Produkt des thermoelektrischen Wirkungsgrades des Moduls und dem auf der heißeren Seite des thermoelektrischen Moduls eintretenden Wärmestrom Q. Im Allgemeinen steigt der thermoelektrische Wirkungsgrad mit steigendem thermischem Widerstand der funktionalen Schicht zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche, da dadurch die Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Seite steigt. Dem entgegen sinkt der fließende Wärmestrom durch den erhöhten thermischen Widerstand. Das bedeutet insbesondere, dass die elektrische Leistung eine Funktion des thermischen Widerstands des thermoelektrischen Moduls ist. Der thermische Widerstand des thermoelektrischen Moduls ergibt sich aus der Wärmeleitfähigkeit des thermoelektrischen Materials, den geometrischen Abmessungen der thermoelektrischen Halbleiterelemente und der Wärmeleitfähigkeit des Füllmaterials (insbesondere des Isolationsmaterials) sowie den geometrischen Abmessungen des Füllmaterials. Demnach gilt unter Vernachlässigung thermischer Kontaktwiderstände für den thermischen Widerstand des Moduls (RModul) folgende Beziehung:
- x:
- Höhe des Moduls, d. h. dem Abstand zwischen der Heißseite und der Kaltseite des Moduls,
- λTE:
- Wärmeleitfähigkeit des thermoelektrischen Materials der Halbleiterelemente,
- λFüllung:
- Wärmeleitfähigkeit des Füllmaterials (insbesondere des Isolationsmaterials),
- ATE:
- Fläche senkrecht zum Wärmestrom des thermoelektrischen Materials (insbesondere Querschnitt durch die Halbleiterelemente),
- AFüllung:
- Fläche senkrecht zum Wärmestrom des Füllmaterials (insbesondere Querschnitt durch Zwischenräume).
- x:
- Height of the module, ie the distance between the hot side and the cold side of the module,
- λ TE :
- Thermal conductivity of the thermoelectric material of the semiconductor elements,
- λ filling :
- Thermal conductivity of the filling material (in particular of the insulating material),
- A TE :
- Area perpendicular to the heat flow of the thermoelectric material (in particular cross section through the semiconductor elements),
- A filling :
- Area perpendicular to the heat flow of the filling material (in particular cross-section through spaces).
Der konvektive Widerstand (Rkonvektiv) ergibt sich zu
Die vorhandene Gesamttemperaturdifferenz zwischen z. B. einem auf der Heißseite vorbeiströmenden Abgas und einem auf der Kaltseite vorbeiströmenden Kühlmittel teilt sich im Verhältnis der thermischen Einzelwiderstände Rkonvektiv (jeweils für die Heißseite und für die Kaltseite) und RModul auf. Die damit zwischen der Heißseite und der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls vorliegende Temperaturdifferenz verhält sich entsprechend proportional zum thermischen Widerstand des thermoelektrischen Moduls RModul. Der durch die Halbleiterelemente in elektrischen Strom umwandelbare Wärmestrom Q ergibt sich damit entsprechend aus den Verhältnissen dieser Widerstände Rkonvektiv und RModul zueinander und verhält sich umgekehrt proportional zu RModul. Weitere Wärmeströme in dem Thermoelektrische Element sind der Peltierwärmestrom, und der Ohm'sche Wärmestrom, der durch den ohmschen Widerstand der Halbleitermaterialien der Thermoelektrischen Elemente hervorgerufen wird.The existing total temperature difference between z. B. a passing on the hot side exhaust gas and a flowing past the cold side coolant divides in the ratio of the thermal resistances R convective (respectively for the hot side and for the cold side) and R module . The temperature difference thus present between the hot side and the cold side of the thermoelectric module behaves proportionally to the thermal resistance of the thermoelectric module R module . The heat flow Q that can be converted into electrical current by the semiconductor elements thus results correspondingly from the ratios of these resistors R convective and R module to one another and behaves inversely proportional to R module . Further heat flows in the thermoelectric element are the Peltier heat flux, and the ohmic heat flow, which is caused by the ohmic resistance of the semiconductor materials of the thermoelectric elements.
Der über das thermoelektrische Modul fließende Wärmestrom Q errechnet sich entsprechend aus dem Quotienten ΔT/RModul, wobei ΔT die Temperaturdifferenz zwischen der Heißseite (Th,TM) und der Kaltseite (Tk,TM) und RModul den thermischen Widerstand des thermoelektrischen Moduls angibt. Damit kann die erzeugbare elektrische Leistung des thermoelektrischen Moduls durch den thermischen Widerstand des thermoelektrischen Moduls wesentlich beeinflusst werden. Über die Halbleiterelemente fließt je nach Material des Halbleiters ein Wärmestrom von der Heißseite zur Kaltseite. Je höher die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Halbleitermaterials ist, umso geringer ist die für die elektrische Stromerzeugung verfügbare Temperaturdifferenz zwischen dem an der Heißseite und dem an der Kaltseite angeordneten Ende des Halbleiterelementes. Die Erfindung hat mm eine signifikante Anpassung vorgenommen zwischen einerseits dem für die Stromerzeugung wichtigen Halbleitermaterial, das die Heißseite mit der Kaltseite zum einen zur Stromerzeugung aus der Temperaturdifferenz aber zum anderen eben auch wärmeleitend miteinander verbindet, und andererseits einer verbesserten Wärmeisolierung zwischen Heiß- und Kaltseite, so dass eine große Temperaturdifferenz an den jeweiligen Enden der Halbleiterelemente an der Heißseite bzw. an der Kaltseite vorliegt und ein großer Wärmestrom über die Halbleiterelemente von der Heißseite zur Kaltseite des thermoelektrischen Moduls fließt.The heat flow Q flowing through the thermoelectric module is calculated accordingly from the quotient ΔT / R module , where ΔT is the temperature difference between the hot side (T h, TM ) and the cold side (T k, TM ) and R modulus is the thermal resistance of the thermoelectric module indicates. Thus, the producible electric power of the thermoelectric module by the thermal resistance of the thermoelectric module are significantly affected. Depending on the material of the semiconductor, a heat flow flows from the hot side to the cold side via the semiconductor elements. The higher the specific thermal conductivity of the semiconductor material, the lower the temperature difference available between the hot side and the cold side end of the semiconductor element available for electric power generation. The invention has made a significant adjustment mm between the one hand for the power generation of important semiconductor material, which connects the hot side with the cold side on the one hand to generate electricity from the temperature difference but on the other just also heat-conducting, and on the other hand, improved heat insulation between the hot and cold side, such that a large temperature difference exists at the respective ends of the semiconductor elements on the hot side and on the cold side, respectively, and a large heat flow flows via the semiconductor elements from the hot side to the cold side of the thermoelectric module.
Daher wird durch die vorliegende Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass der Zwischenraum zwischen Heiß- und Kaltseite nun nicht mehr möglichst vollständig durch Halbleiterelementmaterial ausgefüllt ist, sondern im Gegenteil ein großer Teil, der an der Heißseite bzw. Kaltseite für Halbleiterelemente verfügbaren Fläche bzw. des zwischen Heiß- und Kaltseite vorliegenden Zwischenraumes durch thermisches Isolationsmaterial aufgefüllt wird. Insbesondere ist das übrige Volumen des Zwischenraums zwischen den Halbleiterelementen durch ein Isolationsmaterial ausgefüllt, wobei die Wärmeleitfähigkeit des thermoelektrischen Moduls bei einem (vorgegebenen) Betriebspunkt des thermoelektrischen Moduls durch die angegebenen Bedingungen a) und/oder b) so eingestellt wird, dass zwischen 40% und 60% der Gesamttemperaturdifferenz von Heißseite und Kaltseite, also der Gesamttemperaturdifferenz zwischen z. B. einem auf der Heißseite vorbeiströmenden Abgases und einem auf der Kaltseite vorbeiströmenden Kühlmittel, über dem thermoelektrischen Modul abfällt. Das bedeutet mit anderen Worten auch, dass für einen vorbestimmten Betriebspunkt des thermoelektrischen Moduls die Summe der konvektiven Widerstände Rkonvektiv der Heißseite und der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls zwischen 80% und 120% des Wertes des thermischen Widerstands des thermoelektrischen Moduls RModul beträgt.Therefore, it is proposed by the present invention in particular that the gap between hot and cold side is no longer completely filled by semiconductor element material, but on the contrary a large part, the available on the hot side or cold side for semiconductor elements or between hot - and cold side present space is filled by thermal insulation material. In particular, the remaining volume of the gap between the semiconductor elements is filled by an insulating material, wherein the thermal conductivity of the thermoelectric module at a (predetermined) operating point of the thermoelectric module by the specified conditions a) and / or b) is set so that between 40% and 60% of the total temperature difference of the hot side and cold side, so the total temperature difference between z. B. a flowing past on the hot side of the exhaust gas and a flowing past the cold side coolant drops above the thermoelectric module. In other words, this means that for a predetermined operating point of the thermoelectric module, the sum of the convective resistances R convective the hot side and the cold side of the thermoelectric module between 80% and 120% of the value of the thermal resistance of the thermoelectric module R module .
Mit steigendem thermischen Widerstand des thermoelektrischen Moduls erhöht sich die für die Stromerzeugung nutzbare Temperaturdifferenz zwischen Heißseite und Kaltseite des thermoelektrischen Moduls. Der thermoelektrische Wirkungsgrad profitiert näherungsweise linear von einer steigenden Temperaturdifferenz. Dafür sinkt jedoch der fließende Wärmestrom durch das thermoelektrische Modul, da sich mit steigendem thermischen Widerstand des thermoelektrischen Moduls auch der Gesamtwiderstand (Summe aus Rkonvektiv und RModul) erhöht. Es gibt somit ein Leistungsmaximum der Gesamtanordnung in Abhängigkeit des thermischen Widerstands. Näherungsweise kann man ansetzen, dass die elektrische Leistung maximal ist, wenn die Hälfte der Gesamttemperaturdifferenz (Abgas/Kühlmittel) über dem thermoelektrischen Modul abfällt. D. h. es sollte in etwa gelten:
Der thermische Widerstand des thermoelektrischen Moduls kann unter anderem über den Füllgrad eingestellt werden, wobei der Begriff „Füllgrad” die Raumausnutzung und/oder die Flächenausnutzung im Zwischenraum des thermoelektrischen Moduls durch die Halbleiterelemente beschreibt, entsprechend der oben angeführten Bedingungen a) und b). Die Einstellung des thermischen Widerstands des thermoelektrischen Moduls kann auch durch nicht konstante Querschnitte der Halbleiterelemente und/oder durch poröse Halbleiterelemente erreicht werden. Ist der gesamte, für den Einbau von Halbleiterelementen verfügbare, Zwischenraum zwischen Heißseite und Kaltseite von Halbleiterelementen ausgefüllt oder ist die an der Heißseite und Kaltseite für Halbleiterelemente verfügbare Fläche durch Halbleiterelemente vollständig kontaktiert, beträgt der Füllgrad 1 oder 100%. Ist nur die Hälfte des genannten Zwischenramms durch Halbleiterelemente ausgefüllt oder wird nur die Hälfte der auf der Heißseite und Kaltseite genannten Fläche durch Halbleiterelemente kontaktiert, beträgt der Füllgrad 0,5 oder 50%. Wird als Isolationsmaterial Luft eingesetzt, ist bei einer Anordnung mit einem Füllgrad von 0,5 der thermische Widerstand des thermoelektrischen Moduls ungefähr doppelt so groß wie bei einem Füllgrad von 1. Die Ursache liegt in der kleineren verfügbaren Fläche, durch den der Wärmestrom fließen kann. Durch den Füllgrad lässt sich der thermische Widerstand des thermoelektrischen Moduls so einstellen, dass ein Höchstmaß an elektrischer Leistung erzeugt werden kann. D. h. es wird wesentlich weniger (teures) thermoelektrisches Material benötigt und gleichzeitig die elektrische Leistung durch die Einstellung des thermischen Widerstands des thermoelektrischen Moduls erhöht.The thermal resistance of the thermoelectric module can be adjusted, inter alia, on the degree of filling, wherein the term "degree of filling" describes the space utilization and / or the area utilization in the space of the thermoelectric module by the semiconductor elements, according to the above conditions a) and b). The adjustment of the thermal resistance of the thermoelectric module can also be achieved by non-constant cross sections of the semiconductor elements and / or by porous semiconductor elements. When all the gap between hot side and cold side available for semiconductor element mounting is filled by semiconductor elements, or when the area available on the hot side and cold side for semiconductor elements is completely contacted by semiconductor elements, the degree of filling is 1 or 100%. If only half of the said intermediate ridge is filled by semiconductor elements or only half of the area mentioned on the hot side and cold side is contacted by semiconductor elements, the degree of filling is 0.5 or 50%. When air is used as the insulating material, in a 0.5 degree pad, the thermal resistance of the thermoelectric module is about twice that of a 1 pad. The reason is the smaller available area through which the heat flow can flow. The degree of filling allows the thermal resistance of the thermoelectric module to be adjusted so that a maximum of electrical power can be generated. Ie. much less (expensive) thermoelectric material is needed and at the same time the electrical power is increased by adjusting the thermal resistance of the thermoelectric module.
Simulationen haben diese Erkenntnisse bestätigt. Ein exemplarisches Ergebnis ist in der folgenden Tabelle gezeigt:
Es ist zu erkennen, dass mit abnehmendem Füllgrad die effektive Wärmeleitfähigkeit (λeff) sinkt. Die effektive Wärmeleitfähigkeit beschreibt hier einen Ersatzwert für eine Einheitszelle, die aus dem parallelen Pfad des thermoelektrischen Elementes und dem Isolationsmaterial besteht, also gilt:
Durch die abnehmende effektive Wärmeleitfähigkeit erhöht sich die Temperaturdifferenz über dem Modul (Th,TM: 164 zu 240°C im Verhältnis zu Tk,TM: 95°C), was wiederum einen positiven Einfluss auf den Wirkungsgrad hat (Wirkungsgrad: 1,52 zu 2,51). Dadurch ergibt sich insgesamt eine Steigerung der elektrischen Leistung (Pel) um 30%, bei gleichzeitiger Verringerung des eingesetzten thermoelektrischen Materials um 66%. Die gezeigten Ergebnisse gehen von einen vorbestimmten Betriebspunkt und einen vorbestimmten konvektiven Wärmeübergang aus. Das thermoelektrische Modul ist dabei tatsächlich ebenso an spezifische Anforderungen (z. B. Unterschiede Verbrennungskraftmaschine Diesel/Otto in der Abgasenthalpie) im Betrieb angepasst.Due to the decreasing effective thermal conductivity, the temperature difference across the module (T h, TM : 164 to 240 ° C in relation to T k, TM : 95 ° C) increases, which in turn has a positive influence on the efficiency (efficiency: 1, 52 to 2.51). This results in an overall increase in electrical power (P el ) by 30%, while reducing the thermoelectric material used by 66%. The results shown assume a predetermined operating point and a predetermined convective heat transfer. The thermoelectric module is in fact also adapted to specific requirements (eg differences between internal combustion engine diesel / Otto in the exhaust gas enthalpy) during operation.
QParasitär ist der eintretende Anteil des Wärmestroms auf der Heißseite der Module, der nicht durch das thermoelektrische Material, sondern durch das parallel angeordnete Isolationsmaterial (in dem obigen Beispiel Luft), fließt.Q Parasitic is the entering portion of the heat flow on the hot side of the modules, which does not flow through the thermoelectric material but through the insulation material arranged in parallel (air in the example above).
Neben der Leistungssteigerung kann durch Variation des Parameters Füllgrad auch die Temperatur auf der Heißseite des thermoelektrischen Moduls (Th,TM) eingestellt werden, so dass eine Überhitzung im Betrieb eines thermoelektrischen Moduls in einer Abgasanlage vermieden werden kann.In addition to the increase in performance, the temperature on the hot side of the thermoelectric module (T h, TM ) can also be adjusted by varying the parameter degree of filling, so that overheating during operation of a thermoelectric module in an exhaust system can be avoided.
Als Betriebspunkt ist hier ein Zustand bezeichnet, für den das thermoelektrische Modul ausgelegt werden soll und der am Einbauort des thermoelektrischen Moduls im Allgemeinen vorliegt. Der Betriebspunkt umfasst z. B. Abgastemperaturen, Kühlmitteltemperaturen, Abgasmassenstrom, Kühlmittelmassenstrom usw.An operating point here is a state for which the thermoelectric module is to be designed and which is generally present at the installation site of the thermoelectric module. The operating point includes z. As exhaust gas temperatures, coolant temperatures, exhaust gas mass flow, coolant mass flow, etc.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass zwischen Heißseite und Kaltseite und zwischen zwei benachbarten Halbleiterelementen mehrere unterschiedliche thermische Isolationsmaterialien – insbesondere betrachtet entlang eines Halbleiterelementes von der Heißseite zur Kaltseite – angeordnet sind. Besonders vorteilhaft werden hier keramische Abstandshalter eingesetzt, die die thermoelektrischen Elemente gegeneinander beabstanden und hinsichtlich ihrer Positionierung fixieren. Diese können den gesamten Bauraum zwischen Heißseite und Kaltseite und zwischen den Halbleiterelementen ausfüllen. Bevorzugt wird hier aber auch, anstatt einer Keramik oder in Ergänzung dazu ein Glimmermaterial eingesetzt. Besonders bevorzugt ist der Raum zwischen den Halbleiterelementen und zwischen Heißseite bzw. Kaltseite ausschließlich oder zusätzlich durch Luft bzw. durch ein Vakuum ausgefüllt. Dadurch wird eine auf den Wärmefluss abgestimmte thermische Isolierung erreicht, so dass leistungsmindernde parasitäre Wärmeströme innerhalb des thermoelektrischen Moduls, parallel zum thermoelektrischen Material, minimiert werden. Durch das erfindungsgemäße Modul kann die nutzbare elektrische Leistung maximiert und gleichzeitig der Einsatz an kostenintensivem Halbleitermaterial reduziert werden. Zusätzlich ergeben sich Vorteile durch eine mögliche Gewichtsreduzierung, weil große Teile des Zwischenraums zwischen Heißseite und Kaltseite nun auch mit Luft ausgefüllt werden sollen.In particular, it is proposed that between the hot side and the cold side and between two adjacent semiconductor elements a plurality of different thermal insulation materials - in particular viewed along a semiconductor element from the hot side to the cold side - are arranged. Ceramic spacers are particularly advantageously used here, which space the thermoelectric elements from one another and fix them with regard to their positioning. These can fill the entire installation space between the hot side and the cold side and between the semiconductor elements. Preferably, however, a mica material is used instead of a ceramic or in addition thereto. Particularly preferably, the space between the semiconductor elements and between hot side and cold side is filled exclusively or additionally by air or by a vacuum. This achieves thermal isolation matched to heat flow so that power dissipation parasitic heat flows within the thermoelectric module parallel to the thermoelectric material are minimized. By virtue of the module according to the invention, the usable electrical power can be maximized and at the same time the use of cost-intensive semiconductor material can be reduced. In addition, there are advantages through a possible weight reduction, because large parts of the gap between the hot side and cold side should now be filled with air.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das thermoelektrische Modul rohrförmig. Das bedeutet mit anderen Worten auch, dass die erste Fläche und die zweite Fläche in der Regel konzentrisch zueinander angeordnet sind und der Zwischenraum nach Art eines Hohlzylinders dazwischen ausgebildet ist. ganz besonders bevorzugt wird demnach die erste Fläche und die zweite Fläche mit einem Rohr jeweils verschiedenen Durchmessers dargestellt, wobei das innere Rohr innen und das äußere Rohr außen von einem Wärmeübertragungsfluid besträmt werden kann.According to a particularly advantageous embodiment, the thermoelectric module is tubular. In other words, this also means that the first surface and the second surface are generally arranged concentrically with one another and the intermediate space is formed in the manner of a hollow cylinder between them. Accordingly, the first surface and the second surface are most preferably shown with a tube of different diameters, wherein the inner tube inside and the outer tube outside can be embossed by a heat transfer fluid.
Bei einer rohrförmigen Ausgestaltung des thermoelektrischen Moduls ist bevorzugt zumindest auch ein Teil der Halbleiterelemente kreisringförmig geformt und jeweils mit einer äußeren Umfangsfläche und einer inneren Umfangsfläche mit der Heißseite bzw. mit der Kaltseite kontaktiert. Die äußere bzw. innere Umfangsfläche bildet dann jeweils die Stirnfläche des Halbleiterelementes, die die Heißseite bzw. Kaltseite des thermoelektrischen Moduls kontaktiert. Der Begriff kreisringförmig meint damit, dass das Halbleiterelement zumindest einen Abschnitt eines Kreisringes abbildet. Derartig geformte Halbleiterelemente sind insbesondere für zumindest teilweise rohrförmige thermoelektrische Module vorzuschlagen. Dabei bilden die Heißseite und die Kaltseite jeweils die äußere bzw. die innere Umfangsfläche eines Rohres, so dass eine Doppelrohrwand gebildet ist, in dessen Zwischenraum die Halbleiterelemente angeordnet sind. Ein derartig aufgebautes thermoelektrisches Modul wird von einem Fluid durch einen von der inneren Umfangsfläche des Rohres gebildeten Kanal durchströmt und von einem andere Fluid auf der äußeren Umfangsfläche überströmt, so dass eine Temperaturdifferenz über die Doppelrohrwand erzeugbar ist. Die Halbleiterelemente sind insbesondere umlaufend geschlossen in Form eines Kreisringes ausgeführt und innerhalb der Doppelrohrwand hintereinander angeordnet. In a tubular embodiment of the thermoelectric module preferably at least a portion of the semiconductor elements is annular shaped and each contacted with an outer peripheral surface and an inner peripheral surface with the hot side or with the cold side. The outer or inner peripheral surface then forms the end face of the semiconductor element which contacts the hot side or cold side of the thermoelectric module. The term annular means that the semiconductor element images at least a portion of a circular ring. Such shaped semiconductor elements are to be proposed in particular for at least partially tubular thermoelectric modules. In this case, the hot side and the cold side respectively form the outer and the inner peripheral surface of a tube, so that a double tube wall is formed, in whose intermediate space the semiconductor elements are arranged. A thermoelectric module constructed in this way is flowed through by a fluid through a channel formed by the inner circumferential surface of the tube and overflowed by another fluid on the outer circumferential surface, so that a temperature difference can be generated across the double tube wall. The semiconductor elements are in particular circumferentially closed executed in the form of a circular ring and arranged inside the double tube wall one behind the other.
Die Halbleiterelemente können insbesondere auch die Form eines Kreisringsegmentes aufweisen. Die Halbleiterelemente sind dann nebeneinander bzw. hintereinander entlang einer axialen Richtung des Rohres angeordnet. Die Kreisringform kann dabei insbesondere einer Kreisform entsprechen, es sind aber auch ovale Ausführungsformen möglich. Im Hinblick auf die Verschaltung der Halbleiterelemente ist es bspw. auch möglich, dass die Halbleiterelemente eine 180° Kreisringform aufweisen, die dann versetzt abwechselnd miteinander elektrisch verbunden sind.The semiconductor elements may in particular also have the shape of a circular ring segment. The semiconductor elements are then arranged side by side or one behind the other along an axial direction of the tube. The circular ring shape may in particular correspond to a circular shape, but also oval embodiments are possible. With regard to the interconnection of the semiconductor elements, it is, for example, also possible for the semiconductor elements to have a 180 ° circular ring shape, which are then alternately electrically connected to one another offset.
Eine weitere besondere Ausgestaltung des thermoelektrischen Moduls umfasst, dass die Halbleiterelemente voneinander durch Abstandshalter aus zumindest Keramik oder Glimmer getrennt sind. Auch wenn regelmäßig ein Material der Abstandshalter ausreichend ist, kann ggf. auch eine Kombination der beiden Arten von Abstandshaltern sinnvoll sein.Another particular embodiment of the thermoelectric module comprises that the semiconductor elements are separated from one another by spacers made of at least ceramic or mica. Even if a material of the spacers is sufficient on a regular basis, a combination of the two types of spacers may also be useful if necessary.
Als Keramik kommen insbesondere folgende Materialien in Betracht: AIN (Aluminiumnitrid), Al2O3 (Aluminiumoxid), Al2TiO5 (Aluminiumtitanoxid).Particularly suitable ceramics are the following materials: AIN (aluminum nitride), Al 2 O 3 (aluminum oxide), Al 2 TiO 5 (aluminum titanium oxide).
Glimmer (Mica) sind Phyllosilikate, in welchen die Einheitsstruktur aus einem oktaedrischen Blatt (Os) zwischen zwei gegenübergesetzten tetraedrischen Blättern (Ts) bestehen. Diese Blätter bilden eine Schicht, welche von benachbarten Schichten durch Flächen nicht-hydratierter Zwischenlagen-Kationen (I) getrennt sind. Die Sequenz ist: ... I Ts Os Ts I Ts Os Ts .... Die Ts haben die Zusammensetzung T2O5. Die koordinierenden Anionen um die oktaedrisch koordinierten Kationen (M) bestehen aus Sauerstoffatomen benachbarter Ts und Anionen A. Die Koordination der Zwischenlagen-Kationen ist nominal 12-fach, mit einer vereinfachten Formel, welche wie folgt geschrieben werden kann:
- I
- = Cs, K, Na, NH4, Rb, Ba, Ca
- M
- = Li, Fe++ oder+++, Mg, Mn++ oder+++, Zn, Al, Cr, V, Ti
- T
- = Be, Al, B, Fe+++, Si
- A
- = Cl, F, OH, O (Oxy-Glimmer), S.
- I
- = Cs, K, Na, NH4, Rb, Ba, Ca
- M
- = Li, Fe ++ or +++ , Mg, Mn ++ or +++ , Zn, Al, Cr, V, Ti
- T
- = Be, Al, B, Fe +++ , Si
- A
- = Cl, F, OH, O (oxy-mica), S.
Ganz besonders bevorzugt sind hierbei folgende Materialien: Mikanite (d. h. insbesondere Glimmerbruchstücke, die mit Kunstharz zu großen Glimmerfolien verpresst und verbacken werden) mit hohen Wärmeleitwiderständen.Very particular preference is given here to the following materials: Micanites (that is to say, in particular, mica fragments which are pressed together with synthetic resin to form large mica films and baked) with high heat-conducting resistances.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung des thermoelektrischen Moduls sind die Halbleiterelemente auf der ersten Fläche und/oder der zweiten Flache bzw. im Zwischenraum gleichmäßig angeordnet. Mit gleichmäßig ist hier insbesondere gemeint, dass die Halbleiterelemente zumindest in einer Richtung jeweils in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind. Damit ist insbesondere sichergestellt, dass zwischen den Halbleiterelementen gleich große Abstände vorgesehen sind, die beispielsweise jeweils ungefähr zwischen 30% bis 50% der jeweiligen Querschnittsfläche eines Halbleiterelementes ausmachen.According to a further particularly advantageous embodiment of the thermoelectric module, the semiconductor elements are uniformly arranged on the first surface and / or the second surface or in the intermediate space. By uniform is meant here in particular that the semiconductor elements are arranged at least in one direction in each case at equal distances from each other. This ensures, in particular, that equidistant spacings are provided between the semiconductor elements, which, for example, each make up approximately between 30% and 50% of the respective cross-sectional area of a semiconductor element.
Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls vorgeschlagen, insbesondere eines erfindungsgemäßen Moduls, wobei das thermoelektrische Modul zumindest eine Heißseite mit einer ersten Fläche und eine Kaltseite mit einer zweiten Fläche sowie einem zwischen der Heißseite und der Kaltseite angeordneten Zwischenraum aufweist, wobei in dem Zwischenraum eine Mehrzahl p- und n-dotierte Halbleiterelemente abwechselnd angeordnet werden, die wechselweise elektrisch miteinander verbunden werden. Bei der Anordnung der Halbleiterelemente wird dabei wenigstens eine der beiden Bedingungen erfüllt:
- a) höchstens 70% der ersten Fläche oder/und der zweiten Fläche werden mit Halbleiterelementen kontaktiert, und
- b) höchstens 70% des Zwischenraums wird durch die Halbleiterelemente ausgefüllt; wobei
- a) at most 70% of the first surface and / or the second surface are contacted with semiconductor elements, and
- b) at most 70% of the gap is filled by the semiconductor elements; in which
Einem weiteren Aspekt der Erfindung folgend wird ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls vorgeschlagen, wobei das thermoelektrische Modul zumindest eine Heißseite mit einer ersten Fläche und eine Kaltseite mit einer zweiten Fläche sowie einem zwischen der Heißseite und der Kaltseite angeordneten Zwischenraum aufweist, wobei in dem Zwischenraum eine Mehrzahl p- und n-dotierte Halbleiterelemente abwechselnd angeordnet werden, die wechselweise elektrisch miteinander verbunden werden. Zudem beträgt für einen angenommenen Betriebspunkt des thermoelektrischen Moduls die Summe der konvektiven Widerstände der Heißseite und der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls zwischen 80% und 120% des Wertes des thermischen Widerstands des thermoelektrischen Moduls.According to a further aspect of the invention, a method for producing a thermoelectric module is proposed, wherein the thermoelectric module has at least one hot side with a first surface and a cold side with a second surface and an intermediate space between the hot side and the cold side, wherein in the intermediate space a plurality of p- and n-type semiconductor elements are alternately arranged, which are mutually electrically connected to each other. In addition, for an assumed operating point of the thermoelectric module, the sum of the convective resistances of the hot side and the cold side of the thermoelectric module is between 80% and 120% of the value of the thermal resistance of the thermoelectric module.
Mit dem vorstehend genannten Verfahren lassen sich auch die erfindungsgemäßen thermoelektrischen Module herstellen. Daher wird zur Erläuterung der Anordnung, Verbindung, etc. vollständig auf die dortigen Beschreibungen vollständig Bezug genommen.The method mentioned above can also be used to produce the thermoelectric modules according to the invention. Therefore, for explanation of the arrangement, connection, etc., the complete description will be fully made to the descriptions thereof.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das erfindungsgemäße thermoelektrische Modul zur Erzeugung elektrischer Energie aus dem Abgas eines mobilen Verbrennungsmotors verwendet wird.Furthermore, it is proposed that the thermoelectric module according to the invention is used to generate electrical energy from the exhaust gas of a mobile combustion engine.
Weiterhin wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen mit einem Verbrennungsmotor, einer Abgasanlage, mindestens einem Kühlkreislauf und zumindest einem erfindungsgemäßen thermoelektrischen Modul oder einem erfindungsgemäß hergestellten thermoelektrischen Moduls, wobei bei dem Kraftfahrzeug die Abgasanlage mit der Heißseite und der Kühlkreislauf mit der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls verbunden sind. Die Abgasanlage kann insbesondere eine Abgasrückführungsleitung aufweisen, in die das thermoelektrische Modul integriert ist. Weiterhin kann die Heißseite des thermoelektrischen Moduls auch von einem Medium überströmt werden, dass selber durch das Abgas erhitzt wird, so dass das thermoelektrische Modul, als Schutz vor Überhitzung, außerhalb der Abgasanlage anordenbar ist.Furthermore, a motor vehicle is proposed with an internal combustion engine, an exhaust system, at least one cooling circuit and at least one thermoelectric module according to the invention or a thermoelectric module according to the invention, wherein in the motor vehicle, the exhaust system with the hot side and the cooling circuit are connected to the cold side of the thermoelectric module. The exhaust system may in particular have an exhaust gas recirculation line, in which the thermoelectric module is integrated. Furthermore, the hot side of the thermoelectric module can also be overflowed by a medium that itself is heated by the exhaust gas, so that the thermoelectric module, as protection against overheating, outside the exhaust system can be arranged.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung aufzeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:The invention and the technical environment will be explained in more detail with reference to FIGS. It should be noted that the figures show particularly preferred embodiments of the invention, but this is not limited thereto. They show schematically:
Dafür sinkt jedoch der fließende Wärmestrom
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Thermoelektrisches ModulThermoelectric module
- 22
- Heißseitehot side
- 33
- Erste FlächeFirst surface
- 44
- Kaltseitecold side
- 55
- Zweite FlächeSecond surface
- 66
- Zwischenraumgap
- 77
- HalbleiterelementSemiconductor element
- 88th
- Äußere UmfangsflächeOuter peripheral surface
- 99
- Innere UmfangsflächeInner peripheral surface
- 1010
- Metallische BrückeMetallic bridge
- 1111
- StromübergangsflächeCurrent transfer surface
- 1212
- Thermoelektrischer GeneratorThermoelectric generator
- 1313
- Gehäusecasing
- 1414
- Abdichtungsmittelsealant
- 1515
- Ende ModulEnd module
- 1616
- Anschlusselementconnecting element
- 1717
- Abgasexhaust
- 1818
- Kühlmittelcoolant
- 1919
- Temperaturdifferenztemperature difference
- 2020
- Endbereichend
- 2121
- Seitenflächeside surface
- 2222
- Stirnflächeface
- 2323
- Isolierunginsulation
- 2424
- Isolationsmaterialinsulation material
- 2525
- Abstandshalterspacer
- 2626
- Richtungdirection
- 2727
- Abstanddistance
- 2828
- QuerschnittsflächeCross sectional area
- 2929
- Luftair
- 3030
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 3131
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 3232
- Abgasanlageexhaust system
- 3333
- KühlkreislaufCooling circuit
- 3434
- Innerer KanalInner canal
- 3535
- elektrische Leistungelectrical power
- 3636
- Wirkungsgradefficiency
- 3737
- Wärmestromheat flow
- 3838
- thermischer Widerstandthermal resistance
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102010030259A DE102010030259A1 (en) | 2010-06-18 | 2010-06-18 | Thermoelectric module for internal combustion engine of motor car, has semiconductor elements that are arranged in interstice formed between hot and cold sides, where remaining volume of interstice is filled by insulating material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102010030259A DE102010030259A1 (en) | 2010-06-18 | 2010-06-18 | Thermoelectric module for internal combustion engine of motor car, has semiconductor elements that are arranged in interstice formed between hot and cold sides, where remaining volume of interstice is filled by insulating material |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102010030259A1 true DE102010030259A1 (en) | 2011-12-22 |
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ID=45091288
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102010030259A Withdrawn DE102010030259A1 (en) | 2010-06-18 | 2010-06-18 | Thermoelectric module for internal combustion engine of motor car, has semiconductor elements that are arranged in interstice formed between hot and cold sides, where remaining volume of interstice is filled by insulating material |
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DE (1) | DE102010030259A1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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