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

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 Download PDF

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Dr. Eder Andreas
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Abstract

The module (1) has p-doped and n-doped semiconductor elements (7) arranged alternately in interstice formed between hot side (2) and cold side (4), where 70% of surfaces of hot and cold sides are contacted with the elements. Interstice is filled by 70% of the elements and remaining volume is filled by insulating material. Heat conductivity of thermoelectric module is adjusted between 40-60% of total temperature difference between hot and cold sides based on arrangement of elements in interstice so that temperature difference between the sides is reduced. Independent claims are included for the following: (1) method of manufacturing thermoelectric module; and (2) motor car.

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 patent claim 1 and by a method for producing a thermoelectric module according to the features of claim 5. Advantageous embodiments of the device according to the invention and the integration of these devices in higher-level units and their use are dependent on formulated claims. It should be noted that the features listed individually in the claims in any technologically meaningful way, can be combined with each other and show other embodiments of the invention. The description, in particular in conjunction with the figures, further explains the invention and leads to additional embodiments of the invention.

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.
The thermoelectric module according to the invention 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-doped semiconductor elements is alternately arranged alternately electrically connected to each other. In the thermoelectric module at least one of the two conditions is fulfilled:
  • 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: RModul = x/(λTE·ATE + λFüllung·AFüllung), mit

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).
The producible electrical power of the thermoelectric module results, in simple terms, from the product of the thermoelectric efficiency of the module and the heat flow Q occurring on the hotter side of the thermoelectric module. In general, the thermoelectric efficiency increases with increasing thermal resistance of the functional layer between the first surface and the second surface, as this increases the temperature difference between the hot and the cold side. In contrast, the flowing heat flow decreases due to the increased thermal resistance. This means in particular that the electrical power is a function of the thermal resistance of the thermoelectric module. The thermal resistance of the thermoelectric module results from the thermal conductivity of the thermoelectric material, the geometric dimensions of the thermoelectric semiconductor elements and the thermal conductivity of the filling material (in particular of the insulating material) and the geometric dimensions of the filling material. Thus, neglecting thermal contact resistances for the thermal resistance of the module (R module ), the following relationship applies: R modulus = x / (λ TE · A TE + λ filling · A filling ), With
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 Rkonvektiv = l/(α·A) wobei α den Wärmeübergangskoeffizienten und A die entsprechende betrachtete Oberfläche angibt. Die kleinste Flächeneinheit AEZ, die hier für den Vergleich von Rkonvektiv und RModul betrachtet wird, entspricht der Querschnittsfläche einer sogenannten Einheitszelle. Die Einheitszelle umfasst den Bereich eines thermoelektrischen Moduls, der jeweils ein n- und p-dotiertes Halbleiterelement und das dazwischen angeordnete Füllmaterial, insbesondere Isolationsmaterial, umfasst. Damit gilt: ATE + AFüllung = AEZ The convective resistance (R convective ) results too R convective = 1 / (α * A) where α indicates the heat transfer coefficient and A the corresponding considered surface. The smallest unit area A EZ , which is considered here for the comparison of R convective and R module , corresponds to the cross-sectional area of a so-called unit cell. The unit cell comprises the region of a thermoelectric module, which in each case comprises an n- and p-doped semiconductor element and the filling material arranged therebetween, in particular insulation material. Thus: A TE + A filling = A EZ

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: Rkonvektiv-Heißseite + Rkonvektiv-Kaltseite = RModul As the thermal resistance of the thermoelectric module increases, the temperature difference between the hot side and the cold side of the thermoelectric module, which can be used for power generation, increases. The thermoelectric efficiency benefits approximately linearly from an increasing temperature difference. However, the flowing heat flow through the thermoelectric module decreases as the total resistance (sum of R convective and R modulus ) increases with increasing thermal resistance of the thermoelectric module. There is thus a power maximum of the overall arrangement as a function of the thermal resistance. As an approximation one can assume that the electrical power is maximum when half of the total temperature difference (exhaust gas / coolant) drops over the thermoelectric module. Ie. it should roughly apply: R convective hot side + R convective cold side = R module

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: Füllgrad Isolationsmaterial λeff Th,TM Tk,TM QParasitär QTM Wirkungsgrad Pel I-1 [–] [W/mK] [°C] [°C] [W] [W] [–] [W] 0,9 Luft 1,2 164 95 0,006 1,92 1,52 0,029 0,66 Luft 0,9 183 95 0,025 1,81 1,83 0,034 0,3 Luft 0,5 240 95 0,092 1,42 2,51 0,038 Tabelle 1: Simulationsergebnisse für eine Füllgradvariation Simulations have confirmed these findings. An exemplary result is shown in the following table: filling level insulation material λ eff T h, TM Tk, TM Q Parasitic Q TM efficiency P el I-1 [-] [W / mK] [° C] [° C] [W] [W] [-] [W] 0.9 air 1.2 164 95 0,006 1.92 1.52 0,029 0.66 air 0.9 183 95 0,025 1.81 1.83 0.034 0.3 air 0.5 240 95 0.092 1.42 2.51 0,038 Table 1: Simulation results for a filling degree variation

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: TE·ATE + λFüllung·AFüllung)/(ATE + AFüllung) = λeff It can be seen that with decreasing degree of filling the effective thermal conductivity (λ eff ) decreases. The effective thermal conductivity here describes a substitute value for a unit cell, which consists of the parallel path of the thermoelectric element and the insulating material, that is: TE · A TE + λ filling · A filling ) / (A TE + A filling ) = λ eff

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: IM2-3X1-0T–1O10A2 wobei

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.
Mica are phyllosilicates in which the unitary structure of an octahedral sheet (Os) exists between two opposite tetrahedral leaves (Ts). These sheets form a layer separated from adjacent layers by areas of non-hydrated interlayer cations (I). The sequence is: ... I Ts Os Ts I Ts Os Ts .... The Ts have the composition T 2 O 5 . The coordinating anions around the octahedral coordinated cations (M) consist of oxygen atoms of neighboring Ts and anions A. The coordination of the interlayer cations is nominally 12-fold, with a simplified formula that can be written as follows: IM 2-3 X 1-0 T -1 O 10 A 2 in which
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
das übrige Volumen des Zwischenraums zwischen den Halbleiterelementen durch ein Isolationsmaterial ausgefüllt wird. Weiter erfolgt die Anordnung so, dass die Wärmeleitfähigkeit des Moduls bei einem Betriebspunkt des thermoelektrischen Moduls durch die wenigstens eine Bedingung a) und b) so eingestellt wird, dass zwischen 40% und 60% der Gesamttemperaturdifferenz von Heißseite und Kaltseite über dem thermoelektrischen Modul abfällt.It is further proposed a method for producing a thermoelectric module, in particular a module according to the invention, wherein the thermoelectric module at least one hot side with a first surface and a cold side with a second surface and one between the hot side and the Cold side disposed gap, wherein in the intermediate space a plurality of p- and n-doped semiconductor elements are arranged alternately, which are alternately electrically connected to each other. In the arrangement of the semiconductor elements, at least one of the two conditions is fulfilled:
  • 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
the remaining volume of the gap between the semiconductor elements is filled by an insulating material. Next, the arrangement is such that the thermal conductivity of the module at an operating point of the thermoelectric module by the at least one condition a) and b) is set so that between 40% and 60% of the total temperature difference from the hot side and cold side above the thermoelectric module drops.

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:

1: eine Ausführungsvariante eines thermoelektrischen Generators in einem Kraftfahrzeug; 1 a variant of a thermoelectric generator in a motor vehicle;

2: eine Ausführungsvariante eines thermoelektrischen Moduls; 2 a variant of a thermoelectric module;

3: eine Ausführungsvariante eines Halbleiterelementes; 3 : an embodiment of a semiconductor element;

4: eine weitere Ausführungsvariante eines thermoelektrischen Moduls; 4 : a further embodiment variant of a thermoelectric module;

5: eine weitere Ausführungsvariante eines Halbleiterelementes; 5 a further embodiment of a semiconductor element;

6: eine dritte Ausführungsvariante eines thermoelektrischen Moduls; 6 a third embodiment of a thermoelectric module;

7: ein Detail der dritten Ausführungsvariante des thermoelektrischen Moduls; und 7 a detail of the third embodiment of the thermoelectric module; and

8: Qualitativer Verlauf des Wirkungsgrad, des Wärmestroms und der elektrischen Leistung in Abhängigkeit des thermischen Widerstands des thermoelektrischen Moduls. 8th : Qualitative course of the efficiency, the heat flow and the electrical power as a function of the thermal resistance of the thermoelectric module.

1 zeigt eine Ausführungsvariante eines thermoelektrischen Generators 12 in einem Kraftfahrzeug 30. Das Kraftfahrzeug 30 weist einen Verbrennungsmotor 31, eine Abgasanlage 32 und einen Kühlkreis 33 auf. Innerhalb der Abgasanlage 32 ist ein thermoelektrischer Generator 12 angeordnet, der aus mehreren thermoelektrischen Modulen 1 besteht, die in einem gemeinsamen Gehäuse 13 angeordnet sind. Die einzelnen thermoelektrischen Module 1 sind zumindest teilweise mit Halbleiterelementen 7 befüllt und werden auf einer Heißseite 2 mit einer ersten Fläche 3 von einem Abgas 17 und auf einer Kaltseite 4 mit einer zweiten Fläche 5 von einem Kühlmittel 18 überströmt. Dabei erstreckt sich die erste Fläche 3 und die zweite Fläche 5 jeweils zwischen den jeweiligen Enden 15 des thermoelektrischen Moduls 1. 1 shows a variant of a thermoelectric generator 12 in a motor vehicle 30 , The car 30 has an internal combustion engine 31 , an exhaust system 32 and a cooling circuit 33 on. Inside the exhaust system 32 is a thermoelectric generator 12 arranged, consisting of several thermoelectric modules 1 that exists in a common housing 13 are arranged. The individual thermoelectric modules 1 are at least partially with semiconductor elements 7 be filled and be on a hot side 2 with a first surface 3 from an exhaust 17 and on a cold side 4 with a second surface 5 from a coolant 18 overflows. In this case, the first surface extends 3 and the second surface 5 each between the respective ends 15 of the thermoelectric module 1 ,

2 zeigt eine Ausführungsvariante eines thermoelektrischen Moduls 1, wobei eine Kaltseite 4 und gegenüberliegend eine Heißseite 2 vorgesehen sind, zwischen denen sich ein Zwischenraum 6 erstreckt. Der Zwischenraum 6 wird seitlich begrenzt von Abdichtungsmitteln 14, die den Zwischenraum 6 zwischen Heißseite 2 und Kaltseite 4 gegenüber äußeren Medien fluiddicht bzw. gasdicht abdichten. Weiterhin bildet sich in dem durch die Abdichtungsmittel 14 seitlich begrenzten Zwischenraum 6 auf der Heißseite 2 die erste Fläche 3 und auf der Kaltseite 4 die zweite Fläche 5 aus. In dem Zwischenraum 6 zwischen der Heißseite 2 und der Kaltseite 4 ist eine Vielzahl von p-dotierten und n-dotierten Halbleiterelementen 7 wechselweise hintereinander angeordnet und über metallische Brücken 10 wechselweise miteinander so verbunden, dass ein elektrischer Strom in Folge des Seebeck-Effektes erzeugt werden und das thermoelektrische Modul 1 von einem Ende 15 zum anderen Ende 15 durchströmen kann. Die Halbleiterelemente 7 sind gegenüber der Heißseite 2 bzw. der Kaltseite 4 durch eine Isolierung 23 elektrisch isoliert, wobei die Isolierung 23 jedoch einen guten Wärmeübergang von der Heißseite 2 bzw. der Kaltseite 4 hin zu den Halbleiterelementen 7 ermöglichen soll. Die Halbleiterelemente 7 sind voneinander durch eine Abstand 27 getrennt, wobei zwischen den Halbleiterelementen 7 ein Isolationsmaterial 24 angeordnet ist, das die Halbleiterelemente 7 gegeneinander elektrisch isoliert. Das Isolationsmaterial 24 hat gleichzeitig gute thermische Isolationseigenschaften, so dass eine Wärmeübertragung von der Heißseite 2 zur Kaltseite 4 mittels der Isolierung 24 unterbunden werden soll. Dadurch kann die Temperaturdifferenz 19 zwischen der Heißseite 2 und der Kaltseite 4 zur Stromerzeugung des thermoelektrischen Moduls 1 effizient genutzt werden. Die Temperaturdifferenz 19 ist damit regelmäßig geringer als die Gesamttemperaturdifferenz, die durch die Temperatur des Abgases auf der Heißseite 2 und durch die Temperatur des Kühlmittels auf der Kaltseite 4 gebildet wird. Der innerhalb des thermoelektrischen Moduls 1 erzeugte elektrische Strom wird durch an den jeweiligen Enden 15 des thermoelektrischen Moduls 1 vorgesehene Anschlusselemente 16 nach außen abgeführt. 2 shows an embodiment of a thermoelectric module 1 , where a cold side 4 and opposite a hot side 2 are provided, between which there is a gap 6 extends. The gap 6 is bounded laterally by sealants 14 that the gap 6 between the hot side 2 and cold side 4 Seal against external media fluid-tight or gas-tight. Furthermore, forms in the by the sealing means 14 laterally limited space 6 on the hot side 2 the first area 3 and on the cold side 4 the second area 5 out. In the gap 6 between the hot side 2 and the cold side 4 is a plurality of p-doped and n-doped semiconductor elements 7 alternately arranged one behind the other and via metallic bridges 10 alternately connected to each other so that an electric current generated as a result of the Seebeck effect and the thermoelectric module 1 from one end 15 to the other end 15 can flow through. The semiconductor elements 7 are opposite the hot side 2 or the cold side 4 through insulation 23 electrically insulated, with the insulation 23 but a good heat transfer from the hot side 2 or the cold side 4 towards the semiconductor elements 7 should allow. The semiconductor elements 7 are separated from each other by a distance 27 separated, wherein between the semiconductor elements 7 an insulation material 24 is arranged, which is the semiconductor elements 7 electrically isolated from each other. The insulation material 24 at the same time has good thermal insulation properties, allowing heat transfer from the hot side 2 to the cold side 4 by means of insulation 24 should be prevented. This can cause the temperature difference 19 between the hot side 2 and the cold side 4 for power generation of the thermoelectric module 1 be used efficiently. The temperature difference 19 is thus regularly lower than the total temperature difference caused by the temperature of the exhaust gas on the hot side 2 and by the temperature of the refrigerant on the cold side 4 is formed. The inside of the thermoelectric module 1 generated electric current is through at the respective ends 15 of the thermoelectric module 1 provided connection elements 16 discharged to the outside.

3 zeigt eine Ausführungsvariante eines Halbleiterelementes 7, das in dem in 2 gezeigten thermoelektrischen Modul 1 zum Einsatz kommen kann. Dabei ist hier ein quaderförmiges Halbleiterelement 7 gezeigt mit Seitenflächen 21 und mit Stirnflächen 22 an den jeweiligen Endbereichen 20. An den Endbereichen 20 sind Stromübergangsflächen 11 angeordnet, hier an der Stirnfläche 22, die mit metallischen Brücken 10 (siehe auch 2) kontaktieren. Die Stromübergangsflächen 11 können auch im Endbereich 20 an den Seitenflächen 21 angeordnet sein. Das Halbleiterelement 7 weist eine Querschnittsfläche 28 (bzw. Abschlussfläche) auf. Infolge der Anordnung innerhalb eines thermoelektrischen Moduls 1 mit einer Heißseite 2 und einer Kaltseite 4 liegt an dem Halbleiterelement 7 eine Temperaturdifferenz 19 zwischen den jeweiligen Endbereichen 20 an. 3 shows an embodiment of a semiconductor element 7 that in the in 2 shown thermoelectric module 1 can be used. Here is a cuboid semiconductor element 7 shown with side surfaces 21 and with end faces 22 at the respective end areas 20 , At the end areas 20 are power transmission areas 11 arranged, here at the end face 22 with metallic bridges 10 (see also 2 ) to contact. The current transfer areas 11 can also be in the end area 20 on the side surfaces 21 be arranged. The semiconductor element 7 has a cross-sectional area 28 (or closing surface). Due to the arrangement within a thermoelectric module 1 with a hot side 2 and a cold side 4 is located on the semiconductor element 7 a temperature difference 19 between the respective end regions 20 at.

4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines thermoelektrischen Moduls 1. Hier ist ein rohrförmiges thermoelektrisches Modul 1 gezeigt, das durch einen inneren Kanal 34 vom Abgas 17 durchströmt wird, so dass hier die Heißseite 2 des thermoelektrischen Moduls 1 ausgebildet ist. Über die Außenfläche des rohrförmigen thermoelektrischen Moduls 1 fließt entsprechend ein Kühlmittel 18, so dass sich über dem doppelwandigen Rohr eine Temperaturdifferenz ausbildet. Innerhalb des thermoelektrischen Moduls 1 sind zwischen der Heißseite 2 und der durch die äußere Rohrumfangsfläche gebildete Kaltseite 4 Halbleiterelemente 7 so angeordnet, dass in Folge des thermoelektrischen Effektes zwischen den Enden 15 des thermoelektrischen Moduls 1 ein elektrischer Strom erzeugt wird, der über Anschlusselemente 16 zu einer Batterie oder Verbrauchern eines Kraftfahrzeuges abgeführt wird. Die Halbleiterelemente 7 sind dabei innerhalb eines Zwischenraumes 6 angeordnet, der seitlich durch die Abdichtungsmittel 14 in der axialen Richtung begrenzt ist und in radialer Richtung einerseits durch die erste Fläche 3 auf der Heißseite 2 und auf der anderen Seite durch die zweite Fläche 5 auf der Kaltseite 4 des thermoelektrischen Moduls 1. Die Halbleiterelemente 7 sind gegenüber der ersten Fläche 3 bzw. der zweiten Fläche 5 durch die Isolierung 23 elektrisch isoliert. 4 shows a further embodiment of a thermoelectric module 1 , Here is a tubular thermoelectric module 1 shown by an inner channel 34 from the exhaust 17 is flowed through, so that here the hot side 2 of the thermoelectric module 1 is trained. Over the outer surface of the tubular thermoelectric module 1 flows according to a coolant 18 , so that forms a temperature difference over the double-walled tube. Inside the thermoelectric module 1 are between the hot side 2 and the cold side formed by the outer pipe peripheral surface 4 Semiconductor components 7 arranged so that as a result of the thermoelectric effect between the ends 15 of the thermoelectric module 1 An electric current is generated, which is connected via connecting elements 16 is discharged to a battery or consumers of a motor vehicle. The semiconductor elements 7 are within a space 6 arranged laterally through the sealing means 14 is limited in the axial direction and in the radial direction on the one hand by the first surface 3 on the hot side 2 and on the other side through the second surface 5 on the cold side 4 of the thermoelectric module 1 , The semiconductor elements 7 are opposite the first surface 3 or the second surface 5 through the insulation 23 electrically isolated.

5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines Halbleiterelementes 7, das in dem in 4 gezeigten thermoelektrischen Modul 1 eingesetzt werden kann. Das hier gezeigte Halbleiterelement 7 weist eine ringförmige Gestalt auf, so dass die äußere Umfangsfläche 8 des Halbleiterelementes 7 mit der in 4 gezeigten Kaltseite kontaktiert und die innere Umfangsfläche 9 des Halbleiterelementes 7 mit der Heißseite 2 des thermoelektrischen Moduls 1 aus 4 kontaktiert. Über dem Halbleiterelement 7 fällt somit eine Temperaturdifferenz 19 zwischen innerer Umfangsfläche 9 und äußerer Umfangsfläche 8 ab. Das Halbleiterelement 7 weist weiterhin Seitenflächen 21 auf, zwischen denen auf der äußeren Umfangsfläche 8 bzw. auf der inneren Umfangsfläche 9 Stromübergangsflächen 11 angeordnet sind, die innerhalb des thermoelektrischen Moduls 1 zur Weiterleitung eines elektrischen Stromes mit metallischen Brücken 10 (hier nicht gezeigt) verbindbar sind. Die Stromübergangsflächen 11 können auch an den Seitenflächen 21 in der Nähe der inneren Umfangsfläche 9 oder in der Nähe der äußeren Umfangsfläche 8 angeordnet sein. 5 shows a further embodiment of a semiconductor element 7 that in the in 4 shown thermoelectric module 1 can be used. The semiconductor element shown here 7 has an annular shape, so that the outer peripheral surface 8th of the semiconductor element 7 with the in 4 shown cold side contacted and the inner peripheral surface 9 of the semiconductor element 7 with the hot side 2 of the thermoelectric module 1 out 4 contacted. Above the semiconductor element 7 thus falls one temperature difference 19 between inner peripheral surface 9 and outer peripheral surface 8th from. The semiconductor element 7 still has side faces 21 on, between those on the outer peripheral surface 8th or on the inner peripheral surface 9 Current transfer surfaces 11 arranged inside the thermoelectric module 1 for forwarding an electric current with metallic bridges 10 (not shown here) are connectable. The current transfer areas 11 can also be on the side surfaces 21 near the inner peripheral surface 9 or near the outer peripheral surface 8th be arranged.

6 zeigt eine dritte Ausführungsvariante eines thermoelektrischen Moduls 1, wobei hier ein entsprechend 4 vorgeschlagenes rohrförmiges thermoelektrisches Modul 1 gezeigt ist. Auch hier Halbleiterelemente 7 zwischen einer Heißseite 2 und einer Kaltseite 4 so angeordnet, dass in Folge der wechselseitigen Verbindung der Halbleiterelemente 4 durch metallische Brücken 10 ein elektrischer Strom von einem Ende 15 des thermoelektrischen Moduls 1 zum anderen Ende erzeugbar ist und von dort durch Anschlusselemente 16 einem externen Speicher oder einem Verbraucher zugeführt werden kann. An den jeweiligen Enden 15 des thermoelektrischen Moduls 1 sind Abdichtungselemente 14 vorgesehen, die den Zwischenraum 6 zwischen der Heißseite 2 und der Kaltseite 4 in einer axialen Richtung begrenzen und zwischen denen sich die erste Fläche 3 and der Heißseite 2 und die zweite Fläche 5 an der Kaltseite 4 ausbilden. Auf der ersten Fläche 3 bzw. der zweiten Fläche 4 sind Halbleiterelemente 7 angeordnet, die diese Fläche kontaktieren. Dabei ist es erfindungsgemäß unerheblich, dass hier metallische Brücken 10 bzw. eine Isolierung 23 zwischen Halbleiterelement 7 und erster Fläche 2 bzw. zweiter Fläche 5 angeordnet sind, so dass eine „unmittelbare” Kontaktierung nicht erfolgt. Die Halbleiterelemente 7 weisen einen Abstand 27 auf, der – wie auf der rechten Seite der 6 gezeigt – durch Abstandshalter 25 erzeugt wird. Der Abstandshalter 25 kann mehrteilig ausgeführt sein. in 6 werden zwei Abstandshalter gezeigt, einer ist auf einem äußeren Umfang im Bereich der Kaltseite 4 und ein anderer auf einem inneren Umfang im Bereich der Heißseite 2 angeordnet. Somit sind, wie hier gezeigt, unterschiedliche Abstandhalter 25 in radialer Richtung gesehen angeordnet. Zwischen den Abstandhaltern 25, die bevorzugt aus Keramik oder Glimmer hergestellt sind, kann Luft 29 oder ein Vakuum vorliegen, so dass eine möglichst effiziente thermische Isolierung zwischen Heißseite 2 und Kaltseite 4 erreicht wird. Luft 29 und Abstandhalter 25 dienen also hier als Isolationsmaterial 24, wie im linken Bereich der 6 gezeigt. Es liegen bevorzugt gleich große Abstände 27 zwischen den Halbleiterelementen 7 zumindest in einer Richtung 26 des thermoelektrischen Moduls 1 vor. 6 shows a third embodiment of a thermoelectric module 1 , with one here 4 proposed tubular thermoelectric module 1 is shown. Here, too, semiconductor elements 7 between a hot side 2 and a cold side 4 arranged so that, due to the mutual connection of the semiconductor elements 4 through metallic bridges 10 an electric current from one end 15 of the thermoelectric module 1 can be generated to the other end and from there by connection elements 16 an external memory or a consumer can be supplied. At the respective ends 15 of the thermoelectric module 1 are sealing elements 14 provided the gap 6 between the hot side 2 and the cold side 4 in an axial direction limit and between which the first surface 3 and the hot side 2 and the second surface 5 on the cold side 4 form. On the first surface 3 or the second surface 4 are semiconductor elements 7 arranged, which contact this surface. It is irrelevant according to the invention that here metallic bridges 10 or an insulation 23 between semiconductor element 7 and first surface 2 or second surface 5 are arranged so that a "direct" contact does not occur. The semiconductor elements 7 have a distance 27 up, which - like on the right side of the 6 shown - by spacers 25 is produced. The spacer 25 can be made in several parts. in 6 two spacers are shown, one is on an outer circumference in the region of the cold side 4 and another on an inner periphery in the region of the hot side 2 arranged. Thus, as shown here, different spacers 25 arranged seen in the radial direction. Between the spacers 25 , which are preferably made of ceramic or mica, can air 29 or a vacuum, so that the most efficient thermal insulation between the hot side 2 and cold side 4 is reached. air 29 and spacers 25 So serve here as insulation material 24 as in the left area of the 6 shown. There are preferably equal distances 27 between the semiconductor elements 7 at least in one direction 26 of the thermoelectric module 1 in front.

7 zeigt ein Detail der dritten Ausführungsvariante des thermoelektrischen Moduls 1. Innerhalb des thermoelektrischen Moduls 1 ist, in der axialen Richtung an den jeweiligen Enden 15 durch Abdichtungselemente 14 und in radialer Richtung durch eine erste Fläche 3 und eine zweite Fläche 5 begrenzt, ein Zwischenraum 6 angeordnet. Innerhalb des Zwischenraums 6 sind die Halbleiterelemente 7 angeordnet. 7 shows a detail of the third embodiment of the thermoelectric module 1 , Inside the thermoelectric module 1 is, in the axial direction at the respective ends 15 by sealing elements 14 and in the radial direction through a first surface 3 and a second area 5 limited, a gap 6 arranged. Inside the gap 6 are the semiconductor elements 7 arranged.

8 zeigt den Verlauf des Wirkungsgrad 36, des Wärmestroms 37 und der elektrischen Leistung 35 in Abhängigkeit von dem thermischen Widerstands 38 des thermoelektrischen Moduls, der auf der horizontalen Achse aufgetragen ist. Mit steigendem thermischen Widerstand 38 des thermoelektrischen Moduls erhöht sich die für die Stromerzeugung nutzbar machende Temperaturdifferenz zwischen Heißseite und Kaltseite des thermoelektrischen Moduls. Der thermoelektrische Wirkungsgrad 36 profitiert näherungsweise linear von einer steigenden Temperaturdifferenz. 8th shows the course of the efficiency 36 , the heat flow 37 and the electrical power 35 depending on the thermal resistance 38 of the thermoelectric module applied on the horizontal axis. With increasing thermal resistance 38 of the thermoelectric module increases the useful for generating electricity temperature difference between the hot side and cold side of the thermoelectric module. The thermoelectric efficiency 36 benefits approximately linearly from a rising temperature difference.

Dafür sinkt jedoch der fließende Wärmestrom 37 durch das thermoelektrische Modul, da sich mit steigendem thermischen Widerstand 38 des thermoelektrischen Moduls auch der Gesamtwiderstand (Summe aus Rkonvektiv und RModul) erhöht. Es gibt somit ein Leistungsmaximum der Gesamtanordnung in Abhängigkeit des thermischen Widerstands 38. Näherungsweise kann man ansetzen, dass die elektrische Leistung 35 maximal ist, wenn die Hälfte der Gesamttemperaturdifferenz (Abgas/Kühlmittel) sollte gelten dem thermoelektrischen Modul abfällt.However, the flowing heat flow decreases 37 through the thermoelectric module, as with increasing thermal resistance 38 of the thermoelectric module also increases the total resistance (sum of R convective and R module ). There is thus a power maximum of the overall arrangement as a function of the thermal resistance 38 , It can be approximated that the electric power 35 maximum is when half of the total temperature difference (exhaust / coolant) should apply to the thermoelectric module drops.

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)

Thermoelektrisches Modul (1), zumindest aufweisend eine Heißseite (2) mit einer ersten Fläche (3) und eine Kaltseite (4) mit einer zweiten Fläche (5) sowie einem zwischen der Heißseite (2) und der Kaltseite (4) angeordneten Zwischenraum (6), wobei in dem Zwischenraum (6) eine Mehrzahl p- und n-dotierte Halbleiterelemente (7) abwechselnd angeordnet ist, die wechselweise elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Bedingungen erfüllt ist: a) höchstens 70% der ersten Fläche (3) oder/und der zweiten Fläche (5) ist mit Halbleiterelementen (7) kontaktiert, und b) höchstens 70% des Zwischenraums (6) ist durch die Halbleiterelemente (7) ausgefüllt; und das übrige Volumen des Zwischenraums (6) zwischen den Halbleiterelementen (7) durch ein Isolationsmaterial (24) ausgefüllt ist, und wobei die Wärmeleitfähigkeit des thermoelektrischen Moduls (1) bei einem Betriebspunkt durch die wenigstens eine Bedingung a) und b) so eingestellt ist, dass zwischen 40% und 60% der Gesamttemperaturdifferenz von Heißseite (2) und Kaltseite (4) über dem thermoelektrischen Modul (1) abfällt.Thermoelectric module ( 1 ), at least having a hot side ( 2 ) with a first surface ( 3 ) and a cold side ( 4 ) with a second surface ( 5 ) as well as between the hot side ( 2 ) and the cold side ( 4 ) arranged intermediate space ( 6 ), wherein in the intermediate space ( 6 ) a plurality of p- and n-doped semiconductor elements ( 7 ) which are alternately electrically interconnected, characterized in that at least one of the two conditions is met: a) at most 70% of the first area ( 3 ) and / or the second surface ( 5 ) is equipped with semiconductor elements ( 7 ), and b) at most 70% of the space ( 6 ) is through the semiconductor elements ( 7 ) completed; and the remaining volume of the gap ( 6 ) between the semiconductor elements ( 7 ) by an insulating material ( 24 ), and wherein the thermal conductivity of the thermoelectric module ( 1 ) at an operating point by which at least one condition a) and b) is set such that between 40% and 60% of the total temperature difference of hot side ( 2 ) and cold side ( 4 ) above the thermoelectric module ( 1 ) drops. Thermoelektrisches Modul (1) gemäß Patentanspruch 1, wobei das thermoelektrische Modul (1) rohrförmig ist.Thermoelectric module ( 1 ) according to claim 1, wherein the thermoelectric module ( 1 ) is tubular. Thermoelektrisches Modul (1) gemäß Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Halbleiterelemente (7) voneinander durch Abstandshalter (8) aus zumindest Keramik oder Glimmer getrennt sind.Thermoelectric module ( 1 ) according to claim 1 or 2, wherein the semiconductor elements ( 7 ) from each other by spacers ( 8th ) are separated from at least ceramic or mica. Thermoelektrisches Modul (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Halbleiterelemente (7) auf der ersten Fläche (3) und/oder der zweiten Fläche (5) oder im Zwischenraum gleichmäßig angeordnet sind.Thermoelectric module ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the semiconductor elements ( 7 ) on the first surface ( 3 ) and / or the second surface ( 5 ) or evenly spaced in the space. Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Moduls (1), wobei das thermoelektrische Modul (1) zumindest eine Heißseite (2) mit einer ersten Fläche (3) und eine Kaltseite (4) mit einer zweiten Fläche (5) sowie einem zwischen der Heißseite (2) und der Kaltseite (4) angeordneten Zwischenraum (6) aufweist, wobei in dem Zwischenraum (6) eine Mehrzahl p- und n-dotierte Halbleiterelemente (7) abwechselnd angeordnet werden, die wechselweise elektrisch miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Halbleiterelemente (7) so erfolgt, dass für einen Betriebspunkt des thermoelektrischen Moduls (1) die Summe der konvektiven Widerstände der Heißseite (2) und der Kaltseite (4) des thermoelektrischen Moduls (1) zwischen 80% und 120% des Wertes des thermischen Widerstands des thermoelektrischen Moduls (1) beträgt.Method for producing a thermoelectric module ( 1 ), wherein the thermoelectric module ( 1 ) at least one hot side ( 2 ) with a first surface ( 3 ) and a cold side ( 4 ) with a second surface ( 5 ) as well as between the hot side ( 2 ) and the cold side ( 4 ) arranged intermediate space ( 6 ), wherein in the intermediate space ( 6 ) a plurality of p- and n-doped semiconductor elements ( 7 ) arranged alternately which are alternately electrically connected to each other, characterized in that the arrangement of the semiconductor elements ( 7 ) is carried out so that for an operating point of the thermoelectric module ( 1 ) the sum of the convective resistances of the hot side ( 2 ) and the cold side ( 4 ) of the thermoelectric module ( 1 ) between 80% and 120% of the value of the thermal resistance of the thermoelectric module ( 1 ) is. Verwendung eines thermoelektrischen Moduls (1) gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 4 oder eines Moduls (1) hergestellt nach Patentanspruch 5 zur Erzeugung elektrischer Energie aus dem Abgas eines mobilen Verbrennungsmotors (31).Use of a thermoelectric module ( 1 ) according to one of the claims 1 to 4 or a module ( 1 ) produced according to claim 5 for generating electrical energy from the exhaust gas of a mobile internal combustion engine ( 31 ). Kraftfahrzeug (30) mit einem Verbrennungsmotor (31), einer Abgasanlage (32), mindestens einem Kühlkreislauf (33) und zumindest einem thermoelektrischen Modul (1) gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 4 oder eines Moduls (1) hergestellt nach Patentanspruch 5, wobei bei dem Kraftfahrzeug (30) die Abgasanlage (32) mit der Heißseite (2) und der Kühlkreislauf (33) mit der Kaltseite (4) des thermoelektrischen Moduls (1) verbunden sind.Motor vehicle ( 30 ) with an internal combustion engine ( 31 ), an exhaust system ( 32 ), at least one cooling circuit ( 33 ) and at least one thermoelectric module ( 1 ) according to one of the claims 1 to 4 or a module ( 1 ) produced according to claim 5, wherein in the motor vehicle ( 30 ) the exhaust system ( 32 ) with the hot side ( 2 ) and the cooling circuit ( 33 ) with the cold side ( 4 ) of the thermoelectric module ( 1 ) are connected.
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