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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine thermoelektrische Generatorvorrichtung, welche Abwärme eines Motors (z.B. eines Verbrennungsmotors) verwendet und elektrische Energie erzeugen kann.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen dar, welche die vorliegende Offenbarung betreffen, und sie müssen keinen Stand der Technik bilden.
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Allgemein ist eine thermoelektrische Generatortechnik für ein Fahrzeug eine Technik des Erzeugens elektrischer Energie unter Verwendung eines thermoelektrischen Elements, welches zusammen mit einem Kühlsystem an einer Wärmequelleneinheit (einem Abgassystem, einer Motoreinheit oder dergleichen) installiert ist, um eine Kraftstoffeffizienz zu verbessern, und das thermoelektrische Element hat eine Charakteristik, in welcher Elektronen aufgrund eines Temperaturgradienten bewegt werden.
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Im Allgemeinen, da eine thermoelektrische Umwandlungsleistungsfähigkeit von einem einzigartigen ZT-Wert abhängt (einem Leistungsfähigkeitsindex, welcher eine thermoelektrische Charakteristik eines thermoelektrischen Materials repräsentiert) und eine (Leistungs-)Ausgabe im Verhältnis zu einem Temperaturunterschied zwischen einem Hochtemperaturabschnitt und einem Niedertemperaturabschnitt des thermoelektrischen Materials bestimmt wird, sind ein thermoelektrisches Material, welches anhand einer Wärmequellencharakteristik eines Abschnitts ermittelt (z.B. ausgewählt) wird, an welchem es verwendet wird, eine Gestalt des Elements und eine Systemkonfiguration wichtig.
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Die meisten thermoelektrischen Generatorsysteme, welche für Fahrzeuge entwickelt wurden, werden an einem Abgasrohr angebracht, durch welches heißes Abgas hindurch tritt, jedoch haben es die thermoelektrischen Generatorsysteme nicht erreicht, eine gewünschte hohe Leistungsausgabe zu erlangen.
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Gegenwärtig wird in dem Fall von thermoelektrischen Elementen und Systemen, welche für die Anwendung an einem Abgasrohr entwickelt wurden, Wärme des Abgases nicht effizient in das Element übertragen aufgrund von Variationen von Wärmetransferwiderstandsfaktoren, welche in den Elementen erzeugt werden oder welche während eines Schnittstellenverbindungsvorgangs, um ein thermoelektrisches Modul oder System zu erhalten, erzeugt werden, und wird ein Wärmeverlust zur Außenseite hin erzeugt, und deshalb ist die Effizienz niedrig(er).
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Wie es bekannt ist, wenn im thermoelektrischen Element ein Temperaturunterschied zwischen dem Hochtemperaturabschnitt und dem Niedertemperaturabschnitt groß ist, ist die Leistungsausgabe gesteigert, und eine Leistungsfähigkeit des thermoelektrischen Gesamtsystems hängt von einer Wärmetauscheffizienz des Kühlsystems ab.
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In dem Fall eines thermoelektrischen Systems, welches an einem Abgasrohr in der bezogenen Technik angewendet wird, ist ein separates Wasserkühlsystem installiert, um die Kühleffizienz des Niedertemperaturabschnitts zu verbessern, und, da das Wasserkühlsystem ein Kühlmittel, einen Wärmetauscher, einen Motor bzw. eine Pumpe, einen Strömungskanal und dergleichen aufweist, sind ein Gewicht und ein Volumen des Systems stark gesteigert.
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Weiter ist im allgemeinen Fall eines Abgassystems für ein Fahrzeug, da ein Unterschied auftritt in einem Wärmewert zwischen einem vorderen Abschnitt, welcher sich relativ nahe beim Motor befindet, und einem hinteren Abschnitt, welcher vom Motor weit entfernt ist, die Effizienz des Gesamtsystems in dem Fall des am Abgasrohr angewendeten thermoelektrischen Systems verschlechtert, welches am hinteren Abschnitt angeordnet ist.
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Im Fall des Motors für das Fahrzeug wird eine hohe Temperatur von 500 °C oder mehr (600 °C in einem Dieselmotor und 800 °C oder mehr in einem Ottomotor) beibehalten, und in dem Fall des Verwendens eines Motorkühlmittels ist ein separates Kühlsystem nicht notwendig, und folglich ist das thermoelektrische System, welches am Motor verwendet wird, kompakt und leicht und hat verglichen mit dem thermoelektrischen System, welches am herkömmlichen Abgasrohr verwendet wird eine hohe Leistungsausgabefähigkeit.
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Um das thermoelektrische Element am Motor anzuwenden, darf das thermoelektrische Element eine Katalysatoraktivierungstemperatur eines Abgassystems, welches an einer hinteren Seite des Motors angeordnet ist, nicht beeinflussen, und muss an einem komplex gestalteten Motor angebracht werden. Weiter muss die Leistungsausgabe verbessert werden durch Steigern der Anzahl von thermoelektrischen Elementen, welche durch Formen einer großen Anbringungsfläche am Motor anbringbar sind.
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Dass herkömmliche thermoelektrische Element ist mit einer Struktur eingerichtet, in welcher Metallverbindungen als ein Paar an einem Isolationssubstrat mit einem vorbestimmten Muster angebracht sind und erste Elemente, die aus einem P-Typ thermoelektrischen Material gemacht sind, und zweite Elemente, die aus einem N-Typ thermoelektrischen Material gemacht sind, als Paare mit den Metallverbindungen verbunden sind. Aufgrund einer Hitzebeständigkeit / eines Wärmeleitwiderstands eines Lötmaterials zum Verbinden der Elemente mit den Metallverbindungen oder des Verbindens der Metallverbindungen mit dem Substrat, obwohl ein thermoelektrisches Material existiert, welches einen hohen ZT-Wert bei einer hohen Temperatur hat, ist eine Beschränkung vorhanden, das thermoelektrische Element zu entwickeln, welches bei einer Hochtemperatur anwendbar ist.
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Weiter, da das Substrat elektrisch isoliert sein muss, während es effizient Wärme überträgt, wird häufig ein Keramikmaterial verwendet, aber aufgrund der Charakteristiken des Keramikmaterials ist das Keramikmaterial bei Vibrationen sehr anfällig in Bezug auf die Haltbarkeit, Thermoschocks (z.B. thermisch induzierte Materialspannungen) und dergleichen.
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Erläuterung der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung stellt eine thermoelektrische Generatorvorrichtung bereit, welche Motorabwärme verwendet (z.B. eines Verbrennungsmotors), welche Vorteile des Erzeugens von elektrischer Energie unter Verwendung von HochtemperaturAbwärme bereitstellt, welche im Motor erzeugt wird, und welche eine Kraftstoffeffizienz steigert.
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Eine thermoelektrische Generatorvorrichtung ist bereitgestellt, welche Motorabwärme verwendet und aufweist: ein thermoelektrisches Element (welches z.B. eine thermische Leitfähigkeit hat), welches eine Plattentyp-Graphitschicht aufweist, die eine thermische Leitfähigkeit hat, eine Mehrzahl von ersten Wärmetransferkörpern, die mit einer Fläche der Graphitschicht mit/in vorbestimmten Intervallen verbunden sind und die eine thermische und elektrische Leitfähigkeit haben, eine Mehrzahl von zweiten Wärmetransferkörpern, die zwischen den ersten Wärmetransferkörpern mit/in vorbestimmten Intervallen (z.B. zueinander und zu den ersten Wärmetransferkörpern) bereitgestellt sind und die eine thermische und elektrische Leitfähigkeit haben, erste Elemente (z.B. Pellets, Pelletkörper, Granulatkörper, etc.) aus einem P-Typ thermoelektrischen Material, welche abwechselnd mit zweiten Elementen zwischen den ersten Wärmetransferkörpern und den zweiten Wärmetransferkörpern an diese angrenzen und mit diesen verbunden sind (d.h., z.B. sind die ersten und zweiten Wärmetransferkörper an einer Seite davon mit einem zugehörigen ersten Element verbunden und sind an der anderen Seite davon mit einem zugehörigen zweiten Element verbunden), und die zweiten Elemente, welche aus einem N-Typ thermoelektrischen Material sind und abwechselnd mit den ersten Elementen zwischen den ersten Wärmetransferkörpern und den zweiten Wärmetransferkörpern an diese angrenzen und mit diesen verbunden sind, wobei zumindest eines der ersten Elemente oder der zweiten Elemente mit einem Neigungsabschnitt eines angrenzenden Wärmetransferkörpers in einer Linienkontaktart verbunden ist, um einen Winkel mit dem Neigungsabschnitt des angrenzenden Wärmetransferkörpers an nur einem Seitenrand davon (des zugehörigen Wärmetransferkörpers) zu bilden, und wobei das zumindest eine besagte der ersten Elemente oder der zweiten Elemente einen Flächenkontakt mit dem Neigungsabschnitt des angrenzenden Wärmetransferkörpers formt, wenn die Graphitschicht gekrümmt/gebogen ist/wird.
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In einer Ausführungsform können der erste Wärmetransferkörper und der zweite Wärmetransferkörper einen Trapezquerschnitt haben und können die ersten Elemente und die zweiten Elemente einen Parallelogrammquerschnitt haben und kann der Winkel zwischen dem Wärmetransferkörper und dem Element gesteuert sein durch Ändern und Steuern einer Neigung von zumindest einem Neigungsabschnitt der Neigungsabschnitte des Wärmetransferkörpers und des Elements (z.B. kann das Element einen Neigungsabschnitt aufweisen, welcher zum Neigungsabschnitt des Wärmetransferkörpers korrespondiert), welches daran angrenzt.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das thermoelektrische Element an einem Ende eines Wärmerohrs, welches (z.B. von dem thermoelektrischen Element) umgeben sein soll, angebracht sein, um eine Wärmetransfereffizienz zu steigern.
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In einer noch weiteren Ausführungsform kann ein Gehäuse geformt sein, welches thermoelektrische Kartuschen bzw. stiftförmige elektrothermische Einsätze (im Weiteren kurz: thermoelektrische Kartusche) aufnimmt, die das thermoelektrische Element und das Wärmerohr aufweisen, wobei das Gehäuse entlang einer Längsrichtung der thermoelektrischen Kartusche unterteilt sein kann in einen Druckabschnitt (z.B. einen Arbeitsfluid-Verdichtungs-/Kondensationsabschnitt, welcher z.B. von unter Druck gesetzten Kühlmittel durchströmt wird) an einem oberen Ende und in einen Verdampfungsabschnitt an einem unteren Ende, wobei im Verdampfungsabschnitt ein Abgaseinlass und ein Abgasauslass zum (z.B. Ein-)Strömen und zum Ausgeben von Abgas (z.B. Verbrennungsmotorabgas) geformt sein können, um das Abgas zum thermoelektrischen Element zu strömen, welches ein Ende des Wärmerohrs umgibt, und wobei im Druckabschnitt ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass zum (z.B. Ein-)Strömen und Ausgeben eines Motorkühlmittels geformt sein können, um das Motorkühlmittel zum anderen Ende des Wärmerohrs zu strömen.
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In einer noch weiteren Ausführungsform kann das Wärmerohr ein Stabtyp-Wärmetauscher sein, in welchem ein Arbeitsfluid in einem Rohrabschnitt in einem Vakuumzustand eingeschlossen ist, kann ein SUS-Stahl (z.B. engl.: steel use stainless (SUS); z.B. dt.: rostfreier Stahl) als ein Material des Rohrabschnitts verwendet werden, und kann das Arbeitsfluid irgendeinen Stoff oder irgendeine Mischung aus zwei Stoffen verwenden, welcher/welche aus Quecksilber, Natrium, Lithium und Silber ausgewählt ist/sind.
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Gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist das thermoelektrische Element mit einer Festkörper-Festkörper-Kontaktart unter Verwendung einer Gestalt mit Elementen (z.B. Pellets, Pelletkörper, Granulatkörper, etc.) und Wärmetransferkörpern ohne Verwendung eines separaten Verbindungmaterials (Lötmaterials) oder Prozesses zum Verbinden mit dem Substrat eingerichtet, d.h. ist als eine Struktur ohne das Substrat eingerichtet, und folglich ist die thermoelektrische (Energie-)Erzeugung in einem Hochtemperaturbereich, wie beispielsweise einem Motorabwärmebereich, möglich, was beim herkömmlichen Substrat aufgrund einer Hitzewiderstandsscharakteristik/Wärmeleitwiderstandscharakteristik des Lötmaterials nicht möglich ist.
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Andere Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nachfolgend erläutert.
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Es ist zu verstehen, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-...“ oder irgendwelche anderen, ähnliche Begriffe, welche hier verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen einschließt, wie z.B. Personenkraftfahrzeuge, einschließlich sogenannter Sportnutzfahrzeuge (SUV), Busse, Lastwagen, zahlreiche kommerzielle Fahrzeuge, sowie z.B. Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl an Booten und Schiffen, sowie auch z.B. Flugzeuge und dergleichen, und ferner auch Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Plug-in Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge für alternative Treibstoffe (z.B. Treibstoffe, welche aus anderen Ressourcen als Erdöl hergestellt werden). Ein sogenanntes Hybridfahrzeug, auf welches hier Bezug genommen wird, ist ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Energiequellen hat, z.B. Fahrzeuge, welche sowie mit Benzin als auch elektrisch betrieben werden.
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Weitere Anwendungsbereiche werden von der hier bereitgestellten Beschreibung klar werden. Es sollte klar sein, das die Beschreibung und spezifische Beispiele nur zum Zwecke der Darstellung gedacht sind und nicht gedacht sind, um den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
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Figurenliste
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Damit die Offenbarung gut verstanden werden kann, werden nun zahlreiche Ausführungsformen davon beschrieben, welche beispielhaft angegeben werden, wobei auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in welchen:
- 1 eine Ansicht ist, welche eine thermoelektrische Generatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt,
- 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A der 1 ist und
- 3 eine Ansicht ist, welche eine Entfaltungsgestalt (z.B. Ausgangsgestalt eines thermoelektrischen Elements) zeigt, bevor die thermoelektrische Generatorvorrichtung an einer Wärmerohr gemäß der vorliegenden Offenbarung angebracht wird.
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Es sollte klar sein, dass die angehängten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellungsweise von verschiedenen Merkmalen darstellen, welche die Grundprinzipien der Erfindung aufzeigen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, unter anderem z.B. konkrete Abmessungen, Richtungen, Positionen und Formen, wie sie hierin offenbart sind, werden teilweise von der jeweiligen geplanten Anwendung und Nutzungsumgebung vorgegeben.
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Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Darstellung und sind nicht gedacht, um den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Art zu beschränken.
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Detaillierte Beschreibung
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Die folgende Beschreibung ist lediglich von beispielhafter Natur und ist nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung zu beschränken. Es sollte klar sein, dass durchgehend durch die Zeichnungen korrespondierende Bezugszeichen gleiche oder korrespondierende Teile und Merkmale bezeichnen.
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In der vorliegenden Offenbarung wird eine thermoelektrische Umwandlung von Hochtemperaturabwärme eines Motors (z.B. eines Verbrennungsmotors), welche in etwa einige 100° erreicht, ausgeführt mittels einer Struktur, welche kein Substrat und kein Lötmaterial benötigt, das einen Wärme(leit)widerstand verursacht. Das Weglassen des Lötmaterials zum Schnittstellenverbinden trägt zur Überwindung des Problems des Wärme(leit)widerstands bei.
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Wie es in der 1 gezeigt ist, ist eine thermoelektrische Generatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung als eine thermoelektrische Kartuscheneinheit eingerichtet, welche eine Mehrzahl von thermoelektrischen Kartuschen 100 in modularer Weise fixiert, und weist jede thermoelektrische Kartusche 100 ein Wärmerohr 110, welches eine Stabgestalt hat, und ein thermoelektrisches Element 120 auf, welches an einem unteren Ende des Wärmerohrs 110 angebracht ist.
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Bezugnehmend auf die 2 und 3 weist das thermoelektrische Element 120 auf: eine Graphitschicht 122, welche eine thermische Leitfähigkeit hat, eine Mehrzahl von ersten Wärmetransferkörpern 124 und von zweiten Wärmetransferkörpern 126, welche an/auf der Graphitschicht 122 angebracht sind, und eine Mehrzahl von ersten Elementen128 und von zweiten Elementen 130 (welche Elemente z.B. Pellets, Pelletkörper, Granulatkörper, etc. sein können), welche zwischen den ersten Wärmetransferkörpern 124 und den zweiten Wärmetransferkörpern 126 angeordnet sind.
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Die Graphitschicht überträgt effizient Wärme von einer Wärmequelle (Abgas), während sie eine Hochtemperaturoxidation des thermoelektrischen Elements 120 unter Verwendung einer Barrierencharakteristik eines Graphitmaterials verhindert, und ist als ein Plattentyp geformt, der flexibel krümmbar/biegbar ist.
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Die ersten Wärmetransferkörper 124 haben eine thermische Leitfähigkeit zum Übertragen der Wärme von der Wärmequelle und eine elektrische Leitfähigkeit zum elektrischen Leiten und sind als Hexaeder geformt, welche einen Trapezquerschnitt haben, die ersten Elemente 128 und die zweiten Elemente 130 befinden sich angrenzend zu einem Neigungsabschnitt, welcher eine vorbestimmte Neigung hat, und eine relativ große Fläche von einer oberen und einer unteren Fläche (z.B. von einer Ober- oder Unterseite eines zugehörigen ersten Wärmetransferkörpers, d.h., z.B. eine Basisseitenfläche seine trapezförmigen Querschnitts), welche zueinander parallel und entgegengesetzt sind, ist an einer Fläche der Graphitschicht 122 angebracht.
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In diesem Fall sind die ersten Wärmetransferkörper 124 mit regulären Intervallen in einem vorbestimmten Muster geschichtet und angeordnet.
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Die zweiten Wärmetransferkörper 126 haben ebenfalls eine thermische Leitfähigkeit zum Übertragen der Wärme von der Wärmequelle und eine elektrische Leitfähigkeit zum elektrischen Leiten und sind in regulären Intervallen zwischen den ersten Wärmetransferkörpern 124 angeordnet und sind aus Hexaedern geformt, welche einen Trapezquerschnitt haben, sodass die ersten Elemente 128 und die zweiten Elemente 130 zu einem Neigungsabschnitt angrenzen, welcher eine vorbestimmte Neigung hat, und eine relativ kleine Fläche von einer oberen und einer unteren Fläche (z.B. von einer Ober- oder Unterseite eines zugehörigen zweiten Wärmetransferkörpers, d.h., z.B. eine Spitzenseitenfläche seines trapezförmigen Querschnitts), welche zueinander parallel und entgegengesetzt sind, weist in Richtung einer Fläche der Graphitschicht 122 (z.B. der Fläche der Graphitschicht, an welcher die ersten Wärmetransferkörper angebracht sind) und hat dazu einen vorbestimmten Abstand / ein vorbestimmtes Intervall.
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Die andere, relativ große Fläche der oberen und der unteren Fläche des zweiten Wärmetransferkörpers 126, welche zueinander parallel und entgegengesetzt sind, kontaktiert eine Fläche des Wärmerohrs 110, wenn ein Ende des Wärmerohrs 110 vom thermoelektrischen Element 120 umgeben ist.
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Darüber hinaus sind die ersten Elemente 128 aus einem P-Typ thermoelektrischen Material gemacht und sind zwischen die ersten Wärmetransferkörper 124 und die zweiten Wärmetransferkörper 126 hinein eingesetzt, um an diese anzugrenzen und mit diesen verbunden zu sein. In diesem Fall sind die ersten Elemente 128 an einem Neigungsabschnitt des angrenzenden zweiten Wärmetransferkörpers 126 in einer Flächenkontaktart angebracht (alternativ: des ersten Wärmetransferkörpers), und nur ein Rand (des zugehörigen Elements) ist an einem Neigungsabschnitt des ersten Wärmetransferkörpers 124 in einer Linienkontaktart angebracht (alternativ: des zweiten Wärmetransferkörpers).
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Die zweiten Elemente 130 sind aus einem N-Typ thermoelektrischen Material gemacht und sind zwischen die ersten Wärmetransferkörper 124 und die zweiten Wärmetransferkörper 126 hinein eingesetzt, um an diese anzugrenzen und mit diesen verbunden zu sein. In diesem Fall sind die zweiten Elemente 130 an einem Neigungsabschnitt des angrenzenden zweiten Wärmetransferkörpers 126 in einer Flächenkontaktart angebracht (alternativ: des ersten Wärmetransferkörpers), und nur ein Rand (des zugehörigen Elements) ist an einem Neigungsabschnitt des ersten Wärmetransferkörpers 124 in einer Linienkontaktart angebracht (alternativ: des zweiten Wärmetransferkörpers.
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Das heißt, die ersten Elemente 128 bzw. die zweiten Elemente 130 sind (z.B. mit einer Seite) an beiden Neigungsabschnitten der zweiten Wärmetransferkörper 126 (alternativ der ersten Wärmetransferkörper) in einer Flächenkontaktart angebracht, und nur die Ränder einer (z.B. anderen) Seite der ersten Elemente 128 bzw. der zweiten Elemente130 sind an beiden Neigungsabschnitten der ersten Wärmetransferkörper 124 (alternativ der zweiten Wärmetransferkörper) in einer Linienkontaktart angebracht.
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Da die ersten Elemente 128 bzw. die zweiten Elemente130 an beiden Neigungsabschnitten der ersten Wärmetransferkörper 124 in der Linienkontaktart angebracht sind, ist ein (jeweiliger) Winkel α mit den Neigungsabschnitten der ersten Wärmetransferkörper 124 geformt (vergleiche 3). Folglich, wenn die Graphitschicht 122 flexibel gebogen/gekrümmt ist/wird, um das Wärmerohr 110 abzudecken / zu umgeben, kontaktieren die ersten Elemente 128 und die zweiten Elemente130 in einer Flächenkontaktart die beiden Neigungsabschnitte der ersten Wärmetransferkörper 124.
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Dementsprechend kann eine Flächenkrümmung des thermoelektrischen Elements 120 durch Ändern und Steuern des Winkels α eingestellt werden.
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Da die ersten Wärmetransferkörper 124 und zweiten Wärmetransferkörper 126 Trapezquerschnitte haben und da die ersten Elemente 128 und die zweiten Elemente 130 Parallelogrammquerschnitte haben, kann der Winkel α zwischen dem (zugehörigen) Wärmetransferkörper und dem (zugehörigen) Element gesteuert werden durch Ändern und Steuern einer Neigung von zumindest einem Neigungsabschnitt der Neigungsabschnitte der Wärmetransferkörper und der daran angrenzenden Elementen.
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Darüber hinaus sind die ersten Elemente 128 und die zweiten Elemente130 abwechseln zwischen denen ersten und den zweiten Wärmetransferkörpern 124 und 126 angeordnet und sind PN-Übergangspaare, welche ein Paar in Verbindung mit (z.B. einem zugehörigen Wärmetransferkörper der) Wärmetransferkörpern dazwischen formen, miteinander (z.B. elektrisch) in Reihe verbunden. In diesem Fall dienen die Wärmetransferkörper gleichzeitig als das Substrat für den auftretenden Wärmetransfer und als Leiter zum elektrischen Leiten, um Elektrizität zu erzeugen, wenn sich die Elektronen aufgrund eines Temperaturgradienten bewegen.
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Das thermoelektrische Element 120, welches wie oben eingerichtet ist, kann ein Ende des Wärmerohrs 110 umgeben, um eine Effizienz der Wärmeübertragung und des Wärmeaustausches zu steigern.
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Das Wärmerohr 110 ist ein Stabtyp-Wärmetauscher, in welchem ein Arbeitsfluid in einem Rohrabschnitt in einem Vakuumzustand eingeschlossen ist, und, um das Wärmerohr 110 bei einer hohen Temperatur, wie beispielsweise bei Motorabwärmetemperatur, zu verwenden, wird ein rostfreies Metall, wie beispielsweise ein SUS-Stahl (z.B. engl.: steel use stainless (SUS); z.B. dt.: rostfreier Stahl), als ein Material des Rohrabschnitts verwendet. Darüber hinaus verwendet das Arbeitsfluid im Rohrabschnitt irgendeinen Stoff oder irgendeine Mischung aus zwei oder mehr Stoffen, welcher/welche aus Quecksilber, Natrium, Lithium und Silber gemäß eines Temperaturbereichs, welcher verwendet wird, ausgewählt ist/sind.
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Wenn ein Ende des Wärmerohrs geheizt wird, tritt das Arbeitsfluid im Rohrabschnitt durch einen Zentralabschnitt des Wärmerohrs hindurch, welcher sich im Vakuumzustand befindet, und bewegt sich zum anderen Ende, in welchem das Arbeitsfluid komprimiert bzw. kondensiert wird, und bewegt sich dann das Arbeitsfluid automatisch zu seiner Ausgangsposition zurück, sodass ein Wärmetausch durch die Bewegung des Arbeitsfluids ausgeführt wird.
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Wie es oben beschrieben ist, ist die thermoelektrische Kartusche 100 durch das Wärmerohr 110 und das thermoelektrische Element 120, welches am unteren Ende des Wärmerohrs 110 angebracht ist, geformt, und sind die Mehrzahl von thermoelektrischen Kartuschen 100 modularisiert, um die thermoelektrische Generatorvorrichtung zu bilden.
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Wie es in der 1 gezeigt ist, weist die thermoelektrische Generatorvorrichtung auf: ein Gehäuse, welches die Mehrzahl der thermoelektrischen Kartuschen 110 im Inneren des Gehäuses 140 aufnimmt, und ist das Gehäuse 140 entlang einer Längsrichtung der thermoelektrischen Kartusche 100 unterteilt in einen Druckabschnitt 142 (z.B. einen Arbeitsfluid-Verdichtungs-/Kondensationsabschnitt) an einem oberen Ende und in einen Verdampfungsabschnitt 146 an einem unteren Ende. Heißes Abgas, welches vom Motor ausgegeben wird, wird zugeführt, um durch den Verdampfungsabschnitt 146 hindurchzutreten, und ein Motorkühlmittel wird zugeführt, um im Druckabschnitt 142 / in diesen hinein zu strömen.
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Zu diesem Zweck sind im Verdampfungsabschnitt 146 ein Abgaseinlass 144 und ein Abgasauslass 143 zum (Ein-)Strömen und Ausgeben des Abgases geformt, und sind im Druckabschnitt 142 ein Kühlmitteleinlass 147 und ein Kühlmittelauslass 148 zum (Ein-)Strömen und Ausgeben des Motorkühlmittels geformt.
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Das Abgas, welches zum / in den Verdampfungsabschnitt 146 strömt, überträgt Wärme auf die Seite des thermoelektrischen Elements 120, während es an der Außenseite des thermoelektrischen Elements 120, welches ein Ende des Wärmerohrs 110 umgibt, vorbeitritt, und das Motorkühlmittel, welches zum / in den Druckabschnitt 142 strömt, strömt am/zum anderen Ende des Wärmerohrs 110 (einen Abschnitt, welcher nicht durch das thermoelektrische Element umgeben ist), um die thermische Leitfähigkeit des Wärmerohrs 110 zu verbessern.
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Folglich behält das thermoelektrische Element 120 zum größten Teil einen Temperaturunterschied zwischen einer Außenseite (der Graphitschicht und den ersten Wärmetransferkörpern), welche die Wärme des Abgases empfängt, und einer Innenseite (den zweiten Wärmetransferkörpern) bei, welche die Wärme des Wärmerohrs 110 empfängt, um eine hohe Leistungsausgabe zu erzielen.
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Das heißt, die Wärme von der Wärmequelle (dem Abgas) wird durch die Graphitschicht 122 und die ersten Wärmetransferkörper 124 hindurch zu den ersten Elementen 128 und den zweiten Elementen 130 übertragen, und die Wärme des Wärmerohrs 110 wird durch die zweiten Wärmetransferkörper 126 zu den ersten Elementen 128 und den zweiten Elementen 130 übertragen (d.h. abgeführt), und folglich wird der Temperaturunterschied zwischen der Außenseite und der Innenseite des thermoelektrischen Elements 120 zum größten Teil beibehalten.
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Darüber hinaus ist eine Elektrodeneinheit 150 zum Ausgeben der vom thermoelektrischen Element 120 erzeugten Elektrizität an der unteren Seite des Gehäuses 140 eingerichtet.
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Die Elektrodeneinheit 150 ist elektrisch mit dem thermoelektrischen Element 120 verbunden, sodass die vom thermoelektrischen Element 120 erzeugte Elektrizität fließen kann, und obwohl es nicht gezeigt ist, weist die Elektrodeneinheit 150 einen Elektrodenanschluss zum Übertragen der vom thermoelektrischen Element 120 ausgegebenen Elektrizität, einen DC-DC-Wandler und dergleichen auf, um als eine Vorrichtung zum Umwandeln der vom thermoelektrischen Element durch thermoelektrische Erzeugung ausgegebenen Elektrizität eingerichtet sein, um in einem elektrischen Bereich eines Fahrzeugs verwendet zu werden.
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Als solches ist das thermoelektrische Element 120 in der vorliegenden Offenbarung mit einer Festkörper-Festkörper-Kontaktart unter Verwendung einer Gestalt mit den Elementen 128 und 130 und den Wärmetransferkörpern 124 und 126 ohne Verwendung eines separaten Verbindungmaterials (Lötmaterials) oder Prozesses zum Verbinden mit dem Substrat eingerichtet, d.h., ist als eine Struktur ohne das Substrat eingerichtet, und folglich ist die thermoelektrische (Energie-)Erzeugung in einem Hochtemperaturbereich, wie beispielsweise einem Motorabwärmebereich, möglich, was beim herkömmlichen Substrat aufgrund einer Hitzewiderstandscharakteristik/Wärmeleitwiderstandscharakteristik des Lötmaterials nicht möglich ist.
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Weiter, in dem Fall der thermoelektrischen (Energie-)Erzeugung, wenn eine Schnittstelle/Grenzfläche, wie beispielsweise das Substrat des thermoelektrischen Elements, erzeugt wird, wird gewöhnlich ein thermischer Verlust (z.B. in Folge eines Wärmeleitwiderstands) erzeugt und ist deshalb die Wärmetransfereffizienz reduziert. In der vorliegenden Offenbarung, da die Struktur ohne das Substrat auskommt, d.h., da das thermoelektrische Element 120 direkt am Wärmerohr 110, welches der Wärmetauscher ist, durch die Wärmetransferkörper 126 angebracht ist und da das Abgas (d.h. die Abgaswärme) direkt zu den Elementen 128 und 130 durch die Wärmetransferkörper 124 übertragen wird, ist die Wärmeübertragungseffizienz stark gesteigert.
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Weiter, wenn das thermoelektrische Element 120 an einem vorderen Ende einer Dieselkatalysatoreinheit installiert ist, ist eine höhere Leistungsausgabe möglich, da eine Hochtemperaturwärmequelle zu jeder Zeit zur Verfügung steht.
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In dem Fall des Weglassens des Winkels α zwischen den Wärmetransferkörpern 124 und 126 und den Elementen 128 und 130 durch Modifizieren des thermoelektrischen Elements 120, um ein thermoelektrisches Element vom flachen Typ einzurichten, wird das thermoelektrische Element auf einer Fläche eines Wärmerohrs vom flachen Typ durch einen Löt- oder Hartlötvorgang angebracht, um die thermoelektrische Kartusche einzurichten, und folglich ist die thermoelektrische (Energie-)Erzeugung in einem Niedertemperaturbereich des Fahrzeugs zusätzlich zur Motoreinheit möglich.
