DE102016122741A1

DE102016122741A1 - Leistungsgenerator für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102016122741A1
Application number: DE102016122741.2A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Sugimoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2017-07-27
Also published as: CN106997921A; JP2017135152A; US20170213952A1

Abstract

Ein Leistungsgenerator (10) beinhaltet thermoelektrische Messwandler (12), die so gestaltet sind, dass die Bandlückenenergie eines intrinsischen Halbleiterteils (12c), das zwischen einem n-dotierten Halbleiterteil (12a) und einem p-dotierten Halbleiterteil (12b) angeordnet ist, niedriger ist als die Bandlückenenergie von sowohl dem n-dotierten Halbleiterteil (12a) als auch dem p-dotierten Halbleiterteil (12b). Der Leistungsgenerator (10) wird in einem Fahrzeug verwendet, das ein Abgasrohr (2) aufweist, das als Wärmelieferant dient. Den thermoelektrischen Messwandlern (12) wird Wärme aus dem Abgasrohr (2) durch ein isolierendes Element (18) hindurch zugeführt. Die thermoelektrischen Messwandler (12) sind solchermaßen installiert, dass ein Abschnitt der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils (12c) mit der Oberseite des isolierenden Elements (18) einer Wärme zuführenden Oberfläche) in Kontakt steht.

Description

Technischer Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Technik
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Leistungsgenerator für ein Fahrzeug, genauer einen Leistungsgenerator für ein Fahrzeug, der einen thermoelektrischen Messwandler beinhaltet.
Technischer Hintergrund
Es gibt verschiedene thermoelektrische Messwandler, die auf dem Seebeck-Effekt basieren. Damit ein solcher thermoelektrischer Messwandler eine elektromotorische Spannung produzieren kann, muss ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Arten von Metallen oder Halbleitern, aus denen der thermoelektrische Messwandler besteht, bestehen. Somit ist zur Leistungserzeugung unter Verwendung des thermoelektrischen Messwandlers eine Vorrichtung erforderlich, die den Temperaturunterschied aufrechterhält, beispielsweise eine Kühlung. WO 2015125823 A1 offenbart einen Halbleiter-Einkristall, der als thermoelektrischer Messwandler verwendet werden kann und der in der Lage ist, Leistung ohne einen Temperaturunterschied zu erzeugen.
Genauer beinhaltet der in WO 2015125823 A1 offenbarte Halbleiter-Einkristall einen n-dotierten Halbleiterteil, einen p-dotierten Halbleiterteil und einen zwischen dem n-dotierten Halbleiterteil und dem p-dotierten Halbleiterteil angeordneten intrinsischen Halbleiterteil, und die Bandlückenenergie des intrinsischen Halbleiterteils ist niedriger eingestellt als die Bandlückenenergie von sowohl dem n-dotierten Halbleiterteil als auch dem p-dotierten Halbleiterteil. Wenn der Halbleiter-Einkristall, der diese Gestaltung aufweist, erwärmt wird, so dass er in einen vorgegebenen Temperaturbereich aufweist, werden Elektronen im Valenzband des intrinsischen Halbleiterteils angeregt, so dass sie in das Leitungsband übergehen, auch wenn kein Temperaturunterschied zwischen dem n-dotierten Halbleiterteil und dem p-dotierten Halbleiterteil besteht. Die in das Leitungsband hinein angeregten Elektronen bewegen sich in den n-dotierten Halbleiterteil, der eine niedrigere Energie aufweist, und die Löcher, die im Valenzband ausgebildet werden, bewegen sich zum p-dotierten Halbleiterteil, der eine höhere Energie aufweist. Infolge dieser Bewegungen werden die Träger (Elektron und Löcher) ungleichmäßig verteilt, und der Halbleiter-Einkristall wirkt als Leistung erzeugendes Material, wobei der p-dotierte Halbleiterteil als positive Elektrode dient und der n-dotierte Halbleiterteil als negative Elektrode dient. Der Halbleiter-Einkristall mit dieser Gestaltung, der als thermoelektrischer Messwandler verwendet wird, kann elektrische Leistung erzeugen, wenn die Temperatur des thermoelektrischen Messwandlers innerhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs liegt, auch wenn kein Temperaturunterschied zwischen dem n-dotierten Halbleiterteil und dem p-dotierten Halbleiterteil besteht.
Aus der WO 2015125823 A1 ist die JP 2004-011512A ein Patentdokument, bei dem ein Bezug zu der vorliegenden Offenbarung besteht.
Kurzfassung der Erfindung
Um die Wärme, die von Komponenten eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Automobils, abgegeben wird, effizient zu nutzen, kann ein Leistungsgenerator, der den in WO 2015125823 A1 offenbarten Halbleiter-Einkristall als thermoelektrischen Messwandler beinhaltet, an verschiedenen Stellen in dem Fahrzeug installiert werden. Wenn diese Art von Leistungsgenerator installiert ist, ist es von Vorteil, elektrischen Strom auf Basis der Kennwerte des thermoelektrischen Messwandlers auf effiziente Weise erzeugen zu können.
Die vorliegende Offenbarung soll das oben beschriebene Problem lösen, und ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist die Schaffung eines Leistungsgenerators für ein Fahrzeug, der einen thermoelektrischen Messwandler beinhaltet, der so gestaltet ist, dass die Bandlückenenergie eines intrinsischen Halbleiterteils, das zwischen einem n-dotierten Halbleiterteil und einem p-dotierten Halbleiterteil angeordnet ist, niedriger ist als die Bandlückenenergie sowohl des n-dotierten Halbleiterteils als auch des p-dotierten Halbleiterteils, und in dem der thermoelektrische Messwandler solchermaßen im Fahrzeug eingebaut ist, dass elektrische Leistung auf effiziente Weise erzeugt werden kann.
Ein Leistungsgenerator für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung beinhaltet einen thermoelektrischen Messwandler, der ein n-dotiertes Halbleiterteil, ein p-dotiertes Halbleiterteil und ein zwischen dem n-dotierten Halbleiterteil und dem p-dotierten Halbleiterteil angeordnetes intrinsisches Halbleiterteil aufweist. Eine Bandlückenenergie des intrinsischen Halbleiterteils ist niedriger als die Bandlückenenergie sowohl des n-dotierten Halbleiterteils als auch des p-dotierten Halbleiterteils. Der Leistungsgenerator wird in einem Fahrzeug verwendet, das einen Wärmelieferanten aufweist, um dem thermoelektrischen Messwandler Wärme zuzuführen. Dem thermoelektrischen Messwandler wird Wärme von einer Wärme zuführenden Oberfläche zugeführt, bei der es sich um eine Oberfläche des Wärmelieferanten oder eine Oberfläche eines Zwischenelements zwischen dem thermoelektrischen Messwandler und dem Wärmelieferanten handelt. Der thermoelektrische Messwandler ist solchermaßen installiert, dass von einer Oberfläche des thermoelektrischen Messwandlers zumindest ein Abschnitt einer Oberfläche von zumindest dem intrinsischen Halbleiterteil mit der Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt steht.
Der thermoelektrische Messwandler kann einen ersten thermoelektrischen Messwandler und einen zweiten thermoelektrischen Messwandler beinhalten. Der Leistungsgenerator kann ferner eine Elektrode beinhalten, die den ersten thermoelektrischen Messwandler und den zweiten thermoelektrischen Messwandler elektrisch miteinander verbindet. Von der Oberfläche des ersten thermoelektrischen Messwandlers kann zumindest ein Abschnitt der Oberfläche von zumindest dem intrinsischen Halbleiterteil mit einem ersten Abschnitt der Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt stehen. Von der Oberfläche des zweiten thermoelektrischen Messwandlers kann zumindest ein Abschnitt der Oberfläche von zumindest dem intrinsischen Halbleiterteil mit einem zweiten Abschnitt der Wärme zuführenden Oberfläche, der vom ersten Abschnitt verschieden ist, in Kontakt stehen.
Die Elektrode kann einen Endabschnitt des n-dotierten Halbleiterteils des ersten thermoelektrischen Messwandlers auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil entgegengesetzt ist, und einen Endabschnitt des p-dotierten Halbleiterteils des zweiten thermoelektrischen Messwandlers auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil entgegengesetzt ist, miteinander verbinden.
Die Elektrode kann beinhalten: eine positive Elektrode, die einen Endabschnitt des n-dotierten Halbleiterteils des ersten thermoelektrischen Messwandlers auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil entgegengesetzt ist, und einen Endabschnitt des n-dotierten Halbleiterteils des zweiten thermoelektrischen Messwandlers auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil entgegengesetzt ist, miteinander verbindet; und eine negative Elektrode, die einen Endabschnitt des p-dotierten Halbleiterteils des ersten thermoelektrischen Messwandlers auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil entgegengesetzt ist, und einen Endabschnitt des p-dotierten Halbleiterteils des zweiten thermoelektrischen Messwandlers auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil entgegengesetzt ist, miteinander verbindet.
Der Leistungsgenerator kann so gestaltet sein, dass ein Wärmefluss von der Wärme zufürenden Oberfläche, der an einer Oberfläche der Elektrode auf einer Seite, wo die Wärme zuführende Oberfläche liegt, empfangen wird, schwächer ist als ein Wärmefluss von der Wärme zuführenden Oberfläche, der an einer Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils sowohl des ersten thermoelektrischen Messwandlers als auch des zweiten thermoelektrischen Messwandlers empfangen wird.
Die Elektrode kann so installiert sein, dass sie der Wärme zuführenden Oberfläche zugewandt ist, wobei eine Luftschicht dort dazwischen liegt.
Der Leistungsgenerator kann ferner einen Wärmeisolator aufweisen, der zwischen der Oberfläche der Elektrode und der Wärme zuführenden Oberfläche angeordnet ist.
Der Leistungsgenerator kann ferner einen Wärmeisolator aufweisen, der zwischen der Wärme zuführenden Oberfläche und einem Endabschnitt des n-dotierten Halbleiterteils des thermoelektrischen Messwandlers auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil entgegengesetzt ist, oder einem Endabschnitt des p-dotierten Halbleiterteils des thermoelektrischen Messwandlers auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil entgegengesetzt ist, installiert ist.
Der thermoelektrische Messwandler kann eine Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern beinhalten. Der Leistungsgenerator kann die Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern in Form eines thermoelektrischen Messwandlermoduls beinhalten. Das thermoelektrische Messwandlermodul kann einen von der elektrisch miteinander verbundenen Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern gebildeten Messwandlerstapel und ein Gehäuse, in dem der Messwandlerstapel untergebracht ist, beinhalteten. Das Gehäuse kann als das Zwischenelement dienen, oder das Gehäuse und ein Isolierelement, das zwischen dem Gehäuse und der Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern angeordnet ist, können als Zwischenelement dienen. Die Wärme zuführende Oberfläche für zumindest einige von der Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern, aus denen der Messwandlerstapel besteht, kann eine Innenfläche des Gehäuses oder eine Oberfläche des Isolierelements auf einer Seite, wo die Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern liegt, sein.
Das thermoelektrische Messwandlermodul kann solchermaßen installiert sein, dass eine Außenfläche des Gehäuses, die der Innenfläche des Gehäuses entgegengesetzt ist, mit der Oberfläche des Wärmelieferanten in Kontakt steht.
Die Wärme zuführenden Oberflächen können eine erste Wärme zuführende Oberfläche und eine zweite Wärme zuführende Oberfläche beinhalten. Von der Oberfläche des thermoelektrischen Messwandlers kann ein erster Abschnitt der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils mit der ersten Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt stehen und ein zweiter Abschnitt der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils steht mit der zweiten Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt.
Der Wärmelieferant kann eine Mehrzahl von Wärmelieferanten beinhalten. Von der Oberfläche des thermoelektrischen Messwandlers kann zumindest ein Abschnitt der Oberfläche von zumindest dem intrinsischen Halbleiterteil mit der Wärme zuführenden Oberfläche von jedem von der Mehrzahl von Wärmelieferanten in Kontakt stehen.
Der Wärmelieferant kann ein Abgasrohr eines im Fahrzeug eingebauten Verbrennungsmotors sein. Wenn der Wärmelieferant eine Mehrzahl von Wärmelieferanten beinhaltet, kann außerdem einer von der Mehrzahl von Wärmelieferanten ein Abgasrohr eines Verbrennungsmotors sein, der im Fahrzeug eingebaut ist.
Gemäß dem Leistungsgenerator für ein Fahrzeug der vorliegenden Offenbarung ist der thermoelektrische Messwandler so gestaltet, dass die Bandlückenenergie des intrinsischen Halbleiterteils, der zwischen dem n-dotierten Halbleiterteil und dem p-dotierten Halbleiterteil angeordnet ist, niedriger ist als die Bandlückenenergie sowohl des n-dotierten Halbleiterteils als auch des p-dotierten Halbleiterteils, und der thermoelektrische Messwandler ist solchermaßen installiert, dass zumindest ein Abschnitt der Oberfläche von zumindest dem intrinsischen Halbleiterteil mit der Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt steht. Wenn ein Temperaturunterschied solchermaßen produziert wird, dass die Temperatur des n-dotierten Halbleiterteils oder des p-dotierten Halbleiterteils, die eine relativ höhere Bandlückenenergie aufweisen, höher ist als die Temperatur des intrinsischen Halbleiterteils, wird es für den thermoelektrischen Messwandler mit der oben beschriebenen Gestaltung schwierig, eine elektromotorische Spannung auf effiziente Weise zu produzieren. Gemäß der Installationsweise gemäß dem Leistungsgenerator kann der thermoelektrische Messwandler jedoch solchermaßen im Fahrzeug installiert werden, dass ein Wärmeeintrag in den intrinsischen Halbleiterteil gewährleistet ist. Infolgedessen ist es weniger wahrscheinlich, dass ein Temperaturunterschied auf die oben beschriebene Weise produziert wird, und der thermoelektrische Messwandler kann die elektromotorische Spannung auf effiziente Weise produzieren. Somit kann eine effiziente Leistungserzeugung erreicht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das ein Anwendungsbeispiel eines Leistungsgenerators für ein Fahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die eine Gestaltung von jedem der thermoelektrischen Messwandler des in 1 gezeigten Leistungsgenerators zeigt;
3A und 3B sind Prinzipskizzen, die Zustände der Bandlückenenergie des in 2 gezeigten thermoelektrischen Messwandlers 12 zeigen;
4 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer elektromotorischen Spannung und der Temperatur des thermoelektrischen Messwandlers zeigt;
5 ist eine Skizze, die eine spezifische Gestaltung des Leistungsgenerators gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
6A und 6B sind Schemata, um einen Vorteil der Art und Weise darzustellen, wie der thermoelektrische Messwandler gemäß der ersten Ausführungsform installiert wird;
7A und 7B sind Schemata, um einen Vorteil der Art und Weise der Stapelung des thermoelektrischen Messwandlers gemäß der ersten Ausführungsform darzustellen;
8 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die eine Gestaltung eines Leistungsgenerators als Ganzes für ein Fahrzeug gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
9 ist eine perspektivische Teilansicht, die einen inneren Aufbau eines in 8 gezeigten thermoelektrischen Messwandlermoduls zeigt;
10 ist eine Querschnittsansicht eines thermoelektrischen Messwandlermoduls und eines Abgasrohrs entlang der Linie A-A in 8;
11A und 11B sind Schemata, um einen Vorteil der Art und Weise darzustellen, wie der thermoelektrische Messwandler gemäß der zweiten Ausführungsform installiert wird, wobei ein einzelner thermoelektrischer Messwandler betrachte wird;
12A und 12B sind Schemata, um einen Vorteil der Art und Weise der Stapelung des thermoelektrischen Messwandlers gemäß der zweiten Ausführungsform darzustellen;
13 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die eine Gestaltung eines Leistungsgenerators als Ganzes für ein Fahrzeug gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
14A und 14B sind Schemata, um einen Vorteil der Anordnung der Elektroden gemäß der dritten Ausführungsform darzustellen;
15 ist ein Schema, das eine Anordnung einer Elektrode in einem Leistungsgenerator für ein Fahrzeug gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
16 ist ein schematisches Diagramm, das eine Gestaltung eines Leistungsgenerators 60 als Ganzes für ein Fahrzeug gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
17A und 17B sind Schemata, um einen Vorteil der Anordnung einer Elektrode gemäß der fünften Ausführungsform darzustellen;
18 ist ein Schema, das eine Anordnung einer Elektrode in einem Leistungsgenerator für ein Fahrzeug gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
19 ist ein Schema zur Darstellung einer anderen Art und Weise, wie der in 2 gezeigte thermoelektrischen Messwandler installiert wird;
20 ist ein Schema zur Darstellung einer anderen Art und Weise, wie der in 2 gezeigte thermoelektrischen Messwandler installiert wird;
21A und 21B sind Schemata zur Darstellung einer anderen Art und Weise, wie der in 2 gezeigte thermoelektrische Messwandler installiert wird;
22A und 22B sind Schemata zur Darstellung einer anderen Art und Weise der Stapelung der in 2 gezeigten thermoelektrischen Messwandler; und
23 ist ein Schema zur Darstellung einer anderen Art und Weise, wie der in 2 gezeigte thermoelektrische Messwandler installiert wird.
Ausführliche Beschreibung
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche oder ähnliche Komponenten.
Erste Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf 1 bis 7 wird zunächst eine erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. 1 ist ein Diagramm, das ein Anwendungsbeispiel eines Leistungsgenerators 10 für ein Fahrzeug gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die eine Gestaltung von jedem der thermoelektrischen Messwandler 12 des in 1 gezeigten Leistungsgenerators 10 zeigt.
[Installationsstelle des Leistungsgenerators im Fahrzeug]
Die Installationsstelle des Leistungsgenerators 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist nicht besonders beschränkt. Wie in 1 gezeigt ist, ist der Leistungsgenerator 10 beispielsweise an einem Abgasrohr 2 installiert, in dem Abgas aus einem in einem Fahrzeug eingebauten Verbrennungsmotor 1 strömt. In dem in 1 gezeigten Beispiel wird jedem der thermoelektrischen Messwandler 12 über das Abgasrohr 2 Wärme aus dem Abgas, das im Abgasrohr 2 strömt, zugeführt. Somit dient in diesem Beispiel das Abgasrohr 2 als „Wärmelieferant” gemäß der vorliegenden Offenbarung. Beispiele für den Wärmelieferanten, der eine Komponente des Fahrzeugs ist und Wärme zum thermoelektrischen Messwandler 12 liefert und bei dem es sich nicht um das Abgasrohr 2 handelt, beinhalten einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 1, einen Kühlwasserschlauch, in dem Motorkühlwasser zum Kühlen des Verbrennungsmotors 1 strömt, einen Kühlkörper zum Kühlen des Motorkühlwassers, ein Getriebe, das mit dem Verbrennungsmotor in Verbindung steht, und eine Batterie, die elektrische Leistung akkumuliert, die vom Fahrzeug verwendet wird. Außerdem ist die Temperatur des Wärmelieferanten, wenn dieser Wärme liefert, höher als die Temperatur der umgebenden Atmosphäre des thermoelektrischen Messwandlers 12 (in der vorliegenden Ausführungsform als die Umgebungsluft). Der Leistungsgenerator 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet einen Messwandlerstapel 14, der von einer Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern 12 gebildet wird, die elektrisch miteinander verbunden sind, aber Einzelheiten der Gestaltung des Leistungsgenerators 10 weiter unten unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
[Gestaltung des thermoelektrischen Messwandlers]
In dem in 2 gezeigten Beispiel weist der thermoelektrische Messwandler 12 die Form eines Prismas auf. Der thermoelektrische Messwandler 12 weist an einem Ende einen n-dotierten Halbleiterteil 12a und am anderen Ende einen p-dotierten Halbleiterteil 12b auf. Der thermoelektrische Messwandler 12 weist ferner ein intrinsisches Halbleiterteil 12c zwischen dem n-dotierten Halbleiterteil 12a und dem p-dotierten Halbleiterteil 12b auf.
3A und 3B sind Prinzipskizzen, die Zustände der Bandlückenenergie des in 2 gezeigten thermoelektrischen Messwandlers 12 zeigen. In 3A und 3B zeigen die vertikalen Achsen die Energie eines Elektrons, und die horizontalen Achsen zeigen den Abstand L (siehe 2) von einer Stirnfläche 12aes des thermoelektrischen Messwandlers 12 auf der Seite des n-dotierten Halbleiterteils 12a.
Wie in 3A und 3B gezeigt ist, liegt im n-dotierten Halbleiterteil 12a das Fermi-Niveau f im Leitungsband, und im p-dotierten Halbleiterteil 12b liegt das Fermi-Niveau f im Valenzband. Im intrinsischen Halbleiterteil 12c liegt das Fermi-Niveau f in der Mitte des Bandabstands, der zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband liegt. Die Bandlückenenergie entspricht dem Unterschied in der Energie zwischen dem obersten Teil des Valenzbands und dem untersten Teil des Leitungsbands. Wie aus diesen Zeichnungen ersichtlich ist, ist die Bandlückenenergie des intrinsischen Halbleiterteils 12c des thermoelektrischen Messwandlers 12 jeweils niedriger als die Bandlückenenergie des n-dotierten Halbleiterteils 12a bzw. des p-dotierten Halbleiterteils 12b. Man beachte, dass das Längenverhältnis des n-dotierten Halbleiterteils 12a, des p-dotierten Halbleiterteils 12b und des intrinsischen Halbleiterteils 12c, das in 3A und 3B dargestellt ist, nur ein Beispiel ist, und dass das Verhältnis abhängig davon variieren kann, wie der thermoelektrische Messwandler (der Halbleiter-Einkristall) 12 ausgebildet ist. Die Bandlückenenergie des n-dotierten Halbleiterteils 12a, des p-dotierten Halbleiterteils 12b und des intrinsischen Halbleiterteils 12c kann beispielsweise anhand von inverser Photoelektronenspektroskopie gemessen werden.
Der thermoelektrische Messwandler (der Halbleiter-Einkristall) 12, der die oben beschriebenen Eigenschaften aufweist (das heißt, dass die Bandlückenenergie des intrinsischen Halbleiterteils 12c jeweils niedriger ist als die Bandlückenenergie des n-dotierten Halbleiterteils 12a bzw. des p-dotierten Halbleiterteils 12b), kann beispielsweise aus einer Clathratverbindung (Einschlussverbindung) bestehen. Als Beispiel für die Clathratverbindung kann Ba₈Au₈Si₃₈, ein Siliciumclathrat, verwendet werden.
Der thermoelektrische Messwandler 12 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann auf jede beliebige Weise hergestellt werden, solange auf diese Weise der thermoelektrische Messwandler 12 mit den oben beschriebenen Eigenschaften produziert werden kann. Wenn der thermoelektrische Messwandler 12 beispielsweise aus dem Siliciumclathrat Ba₈Au₈Si₃₈ besteht, kann beispielsweise das in der internationalen Veröffentlichung Nr. WO 2015125823 A1 beschriebene Herstellungsverfahren verwendet werden. Das Herstellungsverfahren kann zusammengefasst werden wie folgt. Ba-Pulver, Au-Pulver und Si-Pulver werden im Verhältnis (Molverhältnis) 8:8:38 abgewogen. Die abgewogenen Pulver werden durch Lichtbogenschmelzen miteinander verschmolzen. Die Schmelze wird dann abgekühlt, um einen Barren aus dem Siliciumclathrat Ba₈Au₈Si₃₈ zu bilden. Der auf diese Weise hergestellte Barren aus dem Siliciumclathrat Ba₈Au₈Si₃₈ wird zu Körnern zerkleinert. Die Körner des Siliciumclathrats Ba₈Au₈Si₃₈ werden in einem Tiegel gemäß dem Czochralski-Verfahren geschmolzen, wodurch ein Einkristall aus dem Siliciumclathrat Ba₈Au₈Si₃₈ gebildet wird. Aus dem auf diese Weise hergestellten Einkristalls aus dem Siliciumclathrat Ba₈Au₈Si₃₈ wird der in 2 gezeigte thermoelektrische Messwandler 12 durch Zuschneiden in Form eines Prismas (genauer in Form eines rechteckigen Parallelflachs) hergestellt. Die Form des thermoelektrischen Messwandlers ist nicht auf das rechteckige Parallelflach beschränkt, und der thermoelektrische Messwandler kann jede Form aufweisen, die durch Zuschneiden des Einkristalls in einer gewünschten Form, beispielsweise als Würfel oder Stab, hergestellt werden kann.
[Prinzip der Leistungserzeugung]
3A ist eine Prinzipskizze, die einen Zustand der thermischen Anregung des thermoelektrischen Messwandlers 12 zeigt, wenn der thermoelektrische Messwandler 12 auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt wird. Wenn der thermoelektrische Messwandler 12 auf eine Temperatur T0 (siehe die weiter unten beschriebene 4) oder höher erwärmt wird, werden Elektronen (von schwarzen Punkten dargestellt) im Valenzband thermisch angeregt, so dass sie in das Leitungsband übergehen, wie in 3A gezeigt ist. Genauer wird, wenn Wärme zugeführt wird und dadurch Energie, welche die Bandlückenenergie übertrifft, zu einem in einem obersten Teil des Valenzbands liegenden Elektron geliefert wird, das Elektron angeregt, so dass es in das Leitungsband übergeht. In dem Prozess, wo die Temperatur des thermoelektrischen Messwandlers 12 steigt, kann eine Bedingung eintreten, wo eine solche thermische Anregung der Elektronen nur im intrinsischen Halbleiterteil 12c stattfindet, das eine relativ niedrige Bandlückenenergie aufweist. 3A zeigt einen Zustand des thermoelektrischen Messwandlers 12, in dem der thermoelektrische Messwandler 12 auf eine vorgegebene Temperatur (beispielsweise die Temperatur T0) erwärmt worden ist, durch die das Eintreten einer solchen Bedingung ermöglicht wird. In diesem Zustand werden im n-dotierten Halbleiterteil 12a und im p-dotierten Halbleiterteil 12b, die eine relativ höhere Bandlückenenergie aufweisen, keine Elektronen thermisch angeregt.
3B ist eine Prinzipskizze, die eine Bewegung eines Elektrons (von dem schwarzen Punkt gezeigt) und eines Loches (von einem weißen Punkt gezeigt) zeigt, wenn der thermoelektrische Messwandler 12 auf die oben beschriebene vorgegebene Temperatur erwärmt wird. Wie in 3B gezeigt ist, bewegen sich Elektronen, die so angeregt werden, dass sie in das Leitungsband übergehen, zu einem Teil mit niedrigerer Energie, das heißt, zum n-dotierten Halbleiterteil 12a. Dagegen bewegen sich Löcher, die als Folge davon, dass sich die angeregten Elektronen zu einem Teil mit höherer Energie bewegen, im Valenzband gebildet werden, zu einem Teil mit höherer Energie, das heißt zum p-dotierten Halbleiterteil 12b. Die Träger werden auf diese Weise ungleichmäßig verteilt, so dass der n-dotierte Halbleiterteil 12a negativ geladen wird und der p-dotierte Halbleiterteil 12b positiv geladen wird und daher eine elektromotorische Kraft zwischen dem n-dotierten Halbleiterteil 12a und dem p-dotierten Halbleiterteil 12b auftritt. Somit kann der thermoelektrische Messwandler 12 Leistung auch dann erzeugen, wenn kein Temperaturunterschied zwischen dem n-dotierten Halbleiterteil 12a und dem p-dotierten Halbleiterteil 12b vorhanden ist. Dieses Prinzip der Leistungserzeugung unterscheidet sich vom Seebeck-Effekt, der eine elektromotorische Kraft auf Basis eines Temperaturunterschieds erzeugt. Der Leistungsgenerator 10, der den thermoelektrischen Messwandler 12 verwendet, benötigt keinen Temperaturunterschied und daher kein Kühlteil, das für den Temperaturunterschied sorgt, und daher kann seine Gestaltung vereinfacht sein.
4 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer elektromotorischen Spannung und der Temperatur des thermoelektrischen Messwandlers 12 zeigt. Der hierin verwendete Begriff „elektromotorische Spannung” des thermoelektrischen Messwandlers 12 bezeichnet den Potentialunterschied zwischen einem Endabschnitt des thermoelektrischen Messwandlers 12 auf der Seite des p-dotierten Halbleiterteils 12b, der als positive Elektrode dient, und einem Endabschnitt des thermoelektrischen Messwandlers 12 auf der Seite des n-dotierten Halbleiterteils 12a, der als negative Elektrode dient. Genauer zeigt die in 4 gezeigte Beziehung Temperaturkennwerte der elektromotorischen Spannung, die produziert wird, wenn der thermoelektrische Messwandler 12 solchermaßen erwärmt wird, dass kein Temperaturunterschied zwischen dem n-dotierten Halbleiterteil 12a und dem p-dotierten Halbleiterteil 12b erzeugt wird. Man beachte, dass der Temperaturbereich, in dem die elektromotorische Spannung produziert wird, je nach der Zusammensetzung des thermoelektrischen Messwandlers unterschiedlich ist.
Wie in 4 gezeigt ist, wird die elektromotorische Spannung erzeugt, wenn der thermoelektrische Messwandler 12 auf die Temperatur T0 oder höher erwärmt wird. Genauer steigt auch die elektromotorische Spannung, wenn die Temperatur des thermoelektrischen Messwandlers 12 steigt. Ein möglicher Grund dafür, dass die elektromotorische Spannung steigt, wenn die Temperatur steigt, wie in 4 gezeigt ist, besteht darin, dass die Zahl der Elektronen und Löcher, die im intrinsischen Halbleiterteil 12c angeregt werden können, das eine relativ niedrige Bandlückenenergie aufweist, umso größer wird, je mehr Wärme zugeführt wird. Wie in 4 gezeigt ist, erreicht die elektromotorische Spannung bei einer bestimmten Temperatur T1 einen Spitzenwert und wird kleiner, wenn der thermoelektrische Messwandler 12 weiter über die Temperatur T1 hinaus erwärmt wird. Ein möglicher Grund dafür ist, dass nicht nur Elektronen und Löcher im intrinsischen Halbleiterteil 12c, sondern auch Elektronen und Löcher im n-dotierten Halbleiterteil 12a und im p-dotierten Halbleiterteil 12b thermisch angeregt werden, wenn die Temperatur des thermoelektrischen Messwandlers 12 steigt.
[Art und Weise, wie der thermoelektrische Messwandler (der Messwandlerstapel) am Abgasrohr installiert wird, und Gestaltung des Leistungsgenerators als Ganzes]
Wie aus der oben beschriebenen 4 ersichtlich ist, ist eine Leistungserzeugung unter Verwendung des thermoelektrischen Messwandlers 12 möglich, wenn die Temperatur im thermoelektrischen Messwandler 12 in einem vorgegebenen Bereich liegt. Mit noch größerem Vorteil ist eine effiziente Leistungserzeugung möglich, wenn die Temperatur des thermoelektrischen Messwandlers 12 nahe an der Temperatur T1 liegt, bei der die höchste elektromotorische Spannung erreicht wird. Um eine effiziente Leistungserzeugung unter Verwendung der thermoelektrischen Messwandler 12 im Fahrzeug zu erreichen, wird ein Wärmelieferant, der den thermoelektrischen Messwandlern 12 Wärme zuführen kann, so dass sich die Temperatur von jedem der thermoelektrischen Messwandler 12 einer Temperatur annähert, die sich für die Leistungserzeugung eignet, aus Komponenten des Fahrzeugs ausgewählt, und die thermoelektrischen Messwandler 12 werden am ausgewählten Wärmelieferanten installiert. Genauer sinkt die Temperatur des Abgases im Abgasrohr 2, während es abwärts strömt, und daher ist die Wandtemperatur des Abgasrohrs 2 in stromabwärts liegenden Teilen des Abgasrohrs 2 niedriger als in Teilen, die weiter stromaufwärts liegen. Wenn das Abgasrohr 2 als Wärmelieferant verwendet wird, wie in der vorliegenden Ausführungsform, wird die Installationsstelle für den thermoelektrischen Messwandler 12 am Abgasrohr 2 in der Strömungsrichtung des Abgases so bestimmt, dass eine Wärmequelle geschaffen wird, die eine effiziente Leistungserzeugung ermöglicht.
(Problem der effizienten Leistungserzeugung)
Wie oben beschrieben, ist der thermoelektrische Messwandler 12 so gestaltet, dass er eine elektromotorische Spannung erzeugt als Folge der Bewegung der Elektronen und Löcher, die dadurch verursacht wird, dass die Elektronen im intrinsischen Halbleiterteil 12c thermisch angeregt werden, wenn der thermoelektrische Messwandler 12 vom Wärmelieferanten mit Wärme beliefert wird. Wenn ein Temperaturunterschied im thermoelektrischen Messwandler 12 solchermaßen erzeugt wird, dass die Temperatur des intrinsischen Halbleiterteils 12c höher ist als die Temperatur des n-dotierten Halbleiterteils 12a und des p-dotierten Halbleiterteils 12b, wird eine thermische Anregung von Elektronen im intrinsischen Halbleiterteil 12c gegenüber einer thermischen Anregung von Elektronen im n-dotierten Halbleiterteil 12a und im p-dotierten Halbleiterteil 12b begünstigt. Dies ist eher günstig als problematisch. Jedoch kann abhängig vom thermoelektrischen Messwandler 12 ein Temperaturunterschied solchermaßen produziert werden, dass die Temperatur von einem oder beiden vom n-dotierten Halbleiterteil 12a und p-dotierten Halbleiterteil 12b höher ist als die Temperatur des intrinsischen Halbleiterteils 12c. Wenn der Temperaturunterschied größer wird, lassen sich Elektronen in dem einen oder in beiden vom n-dotierten Halbleiterteil 12a und p-dotierten Halbleiterteil 12b leichter thermisch anregen. Dadurch kann es für den thermoelektrischen Messwandler 12 schwerer werden, die elektromotorische Spannung zu produzieren. Um eine effiziente Leistungserzeugung unter Verwendung des thermoelektrischen Messwandlers 12 zu erreichen, ist es nützlich, das Auftreten eines Temperaturunterschieds auf die zuletzt geschilderte Weise zu verhindern. Zu diesem Zweck wird jeder von den thermoelektrischen Messwandlern 12 (der Messwandlerstapel 14) günstigerweise solchermaßen am Wärmelieferanten installiert, dass ein Wärmeeintrag in den intrinsischen Halbleiterteil 12c gewährleistet ist.
(Art und Weise, wie der thermoelektrische Messwandler (der Messwandlerstapel) gemäß der ersten Ausführungsform installiert wird)
Angesichts der obigen Beschreibung wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Messwandlerstapel 14, das heißt ein Stapel aus thermoelektrischen Messwandlern 12, in der in der nachstehend beschriebenen 5 gezeigten Anordnung an einer Außenfläche des Abgasrohrs 2 installiert.
5 ist eine Skizze, die eine konkrete Gestaltung des Leistungsgenerators 10 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. In 5 und anderen Zeichnungen sind zur Verdeutlichung der Anordnung der thermoelektrischen Messwandler 12 der n-dotierte Halbleiterteil 12a und der p-dotierte Halbleiterteil 12b des thermoelektrischen Messwandlers 12 farbig unterschieden. Der intrinsische Halbleiterteil 12c zwischen dem n-dotierten Halbleiterteil 12a und dem p-dotierten Halbleiterteil 12b liegt im Bereich um die Grenzlinie zwischen den Teilen 12a und 12b. In dem in 5 gezeigten Beispiel ist der Messwandlerstapel 14 an einem flachen Teil des Abgasrohrs 2 installiert. Jedoch kann der Messwandlerstapel 14 so installiert werden, dass er der Form der gekrümmten Außenfläche eines zylindrischen Abgasrohrs 2 folgt.
Wie in 5 gezeigt ist, sind im Messwandlerstapel 14 einander benachbarte thermoelektrische Messwandler 12 miteinander in Reihe verbunden, wobei zwischen ihnen jeweils eine Elektrode 16 angeordnet ist. Das heißt, der Messwandlerstapel 14 beinhaltet die thermoelektrischen Messwandler 12 und die Elektroden 16. Die Elektrode 16 kann aus einem metallischen Material bestehen, beispielsweise aus Kupfer, das einen geringen elektrischen Widerstand aufweist. Gemäß dem oben beschriebenen Prinzip der Leistungserzeugung des thermoelektrischen Messwandlers 12 dient der p-dotierte Halbleiterteil 12b als positive Elektrode und der n-dotierte Halbleiterteil 12a dient als negative Elektrode. Daher strömt ein elektrischer Strom, der von der elektromotorischen Kraft bewirkt wird, die durch Leistungserzeugung produziert wird, vom p-dotierten Halbleiterteil zum n-dotierten Halbleiterteil. Um zu gewährleisten, dass der elektrische Strom ungehindert fließt, während gleichzeitig der Potentialunterschied zwischen den einander entgegengesetzten Enden der Elektrode 16 maximiert wird, ist in der vorliegenden Ausführungsform die Elektrode 16 so gestaltet, dass sie einen Endabschnitt 12ae (siehe 2) des n-dotierten Halbleiterteils 12a auf der Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil 12c entgegengesetzt ist, von einem thermoelektrischen Messwandler 12 (der einem ersten thermoelektrischen Messwandler” gemäß der vorliegenden Offenbarung entspricht) und einen Endabschnitt 12be (siehe 2) des p-dotierten Halbleiterteils 12b auf der Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil 12c entgegengesetzt ist, von einem anderen thermoelektrischen Messwandler 12 (der einem „zweiten thermoelektrischen Messwandler” gemäß der vorliegenden Offenbarung entspricht) miteinander verbindet. Anders ausgedrückt ist die Elektrode 16 so gestaltet, dass sie Teile, welche die höchste Bandlückenenergie aufweisen, miteinander verbindet.
Genauer beinhaltet die Oberfläche des Endabschnitts 12ae des n-dotierten Halbleiterteils 12a eine Stirnfläche 12aes und einen Abschnitt der Seitenfläche des n-dotierten Halbleiterteils 12a, der nahe an der Stirnfläche 12aes liegt. Ebenso beinhaltet die Oberfläche des Endabschnitts 12be des p-dotierten Halbleiterteils 12b eine Stirnfläche 12bes und einen Abschnitt der Seitenfläche des p-dotierten Halbleiterteils 12b, der nahe an der Stirnfläche 12bes liegt. In dem in 5 gezeigten Beispiel verbindet die Elektrode 16 die Stirnfläche 12aes und die Stirnfläche 12bes miteinander. Jedoch kann gemäß der vorliegenden Offenbarung jede Elektrode verwendet werden, welche die Endabschnitte von einander benachbarten thermoelektrischen Messwandlern (den Endabschnitt des n-dotierten Halbleiterteils auf der Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil entgegengesetzt ist, und den Endabschnitt des p-dotierten Halbleiterteils auf der Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil entgegengesetzt ist) miteinander verbindet. Somit kann als Alternative zum oben beschriebenen Beispiel die Elektrode 16 so gestaltet sein, dass sie den Abschnitt der Seitenfläche des n-dotierten Halbleiterteils 12a, der nahe an der Stirnfläche 12aes liegt, und den Abschnitt der Seitenfläche des p-dotierten Halbleiterteils 12b, der nahe an der Stirnfläche 12bes liegt, miteinander verbindet.
Die Art der Stapelung der thermoelektrischen Messwandler 12 ist nicht besonders beschränkt. In dem in 5 gezeigten Beispiel ist der Messwandlerstapel 14 mit den thermoelektrischen Messwandlern 12 versehen, die in Serpentinenform aufeinandergestapelt sind. Mit dem Messwandlerstapel 14 kann durch Bestimmen der geeigneten Zahl von gestapelten thermoelektrischen Messwandlern 12 jeder gewünschte Pegel einer elektromotorischen Spannung erzeugt werden, die unter der Temperaturbedingung der thermoelektrischen Messwandler 12 aufgrund der aus dem Abgasrohr 2 zugeführten Wärme erwartet wird.
Der Leistungsgenerator 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder thermoelektrische Messwandler 12, der Bestandteil des Messwandlerstapels 14 ist, auf die nachstehend beschriebene Weise am Abgasrohr 2 installiert ist. Das heißt, wie in 5 gezeigt ist, ist jeder thermoelektrische Messwandler 12 so installiert, dass ein Abschnitt der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c mit der Oberfläche (genauer der Außenfläche) des Abgasrohrs 2 in Kontakt steht, wobei dort dazwischen ein isolierendes Element 18 angeordnet ist. In dem Beispiel für die Form des thermoelektrischen Messwandlers 12, der in 5 gezeigt ist, ist der Abschnitt der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c eine Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c, die in der Seitenfläche des thermoelektrischen Messwandlers 12 enthalten ist, die dem Abgasrohr 2 (einem isolierenden Element 18) zugewandt ist.
Das isolierende Element 18 ist vorgesehen, um ein Austreten des elektrischen Stroms aus dem thermoelektrischen Messwandler 12 zum Abgasrohr 2 (einem metallischen Element) zu unterdrücken. Somit ist das isolierende Element 18 nicht nur zwischen dem thermoelektrischen Messwandler 12 und dem Abgasrohr 2, sondern auch zwischen der Elektrode 16 und dem Abgasrohr 2 vorgesehen. Der Leistungsgenerator 10 muss jedem thermoelektrischen Messwandler 12 die Wärme des Abgases (aus dem Verbrennungsmotor 1), bei dem es sich um eine Wärmequelle handelt, aus dem Abgasrohr 2, bei dem es sich um einen Wärmelieferanten handelt, durch das isolierende Element 18 hindurchzuführen. Daher besteht das isolierende Element 18 aus einem Material, das einen höheren elektrischen Widerstand als die Elektrode 16 und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ein solches Material ist beispielsweise Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder Bornitrid.
In der in 5 gezeigten Gestaltung entspricht das isolierende Element 18, das zwischen den einzelnen thermoelektrischen Messwandlern 12 und dem Abgasrohr 2 angeordnet ist, einem „Zwischenelement” gemäß der vorliegenden Offenbarung. Und die Oberfläche des isolierenden Elements 18 auf der Seite des thermoelektrischen Messwandlers 12 entspricht einer „Wärme zuführenden Oberfläche” gemäß der vorliegenden Offenbarung. Wenn die Oberfläche des Wärmelieferanten in direktem Kontakt mit dem thermoelektrischen Messwandler steht, entspricht die Oberfläche des Wärmelieferanten der „Wärme zuführenden Oberfläche” der vorliegenden Offenbarung.
Ferner ist jeder thermoelektrische Messwandler 12 gemäß der vorliegenden Ausführungsform solchermaßen installiert, dass ein Abschnitt der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c mit der Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt steht, wobei die gesamte Seitenfläche des thermoelektrischen Messwandlers 12, die dem Abgasrohr 2 (genauer dem isolierenden Element 18) zugewandt ist, mit der Oberfläche des isolierenden Elements 18 (das heißt, der Wärme zuführenden Oberfläche) in Kontakt steht. Diese gesamte Seitenfläche beinhaltet nicht nur die Seitenfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c, sondern auch die Seitenflächen des n-dotierten Halbleiterteils 12a und des p-dotierten Halbleiterteils 12b.
(Gestaltung des Leistungsgenerators als Ganzes)
Der Leistungsgenerator 10 ist mit einer elektrischen Schaltung 20 versehen, die so gestaltet ist, dass sie die einander entgegengesetzten Enden des Messwandlerstapels 14 durch Leiterdrähte verbindet. Die elektrische Schaltung 20 wird mit einem Schalter 22 geöffnet und geschlossen. Elektrische Betriebsmittel (beispielsweise eine Lichtquelle) 24, die im Fahrzeug eingebaut sind, sind mit der elektrischen Schaltung 20 verbunden. Der Schalter 22 wird unter der Steuerung einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 26, die im Fahrzeug eingebaut ist, geöffnet und geschlossen.
Mit dem Leistungsgenerator 10, der gestaltet ist wie oben beschrieben, ist der Messwandlerstapel 14 während der Aktivierung des Fahrzeugsystems in der Lage, durch Schließen des Schalters 22 Leistung zu erzeugen, wenn die Temperatur des thermoelektrischen Messwandlers 12 aufgrund der Wärme aus dem Abgas, die den thermoelektrischen Messwandlern 12 über das Abgasrohr 2 und das isolierende Element 18 zugeführt wird, eine Temperatur erreicht, die sich für die Leistungserzeugung eignet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Wärmequelle das Abgas, so dass die Abwärme des Verbrennungsmotors 1 durch die Leistungserzeugung zurückgewonnen werden kann. Außerdem kann die elektrische Leistung, die durch die Leistungserzeugung durch den Messwandlerstapel 14 erhalten wird, zum elektrischen Betriebsmittel 24 geliefert werden. Der Schalter 22 kann durch einen variablen Widerstand ersetzt werden. In diesem Beispiel kann die elektrische Leistung, die vom Messwandlerstapel 14 zum elektrischen Betriebsmittel 24 geliefert wird, durch Anpassen des Wirkwiderstands des variablen Widerstands feiner gesteuert bzw. geregelt werden. Fahrzeugausstattung, welche die elektrische Leistung empfängt, ist nicht auf das elektrische Betriebsmittel 24 beschränkt, und beispielsweise kann eine Batterie, die elektrische Leistung akkumuliert, anstelle von oder zusätzlich zu dem elektrischen Betriebsmittel 24 mit der elektrischen Schaltung 20 verbunden sein.
Auch wenn dies in 5 nicht dargestellt ist, ist der Messwandlerstapel 14 mit einer Schutzabdeckung bedeckt. Außerdem ist der Messwandlerstapel 14 mit einer Befestigungseinrichtung, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, am Abgasrohr 2 fixiert.
[Vorteil der Art und Weise, wie der thermoelektrische Messwandler (der Messwandlerstapel) gemäß der ersten Ausführungsform installiert wird]
6A und 6B sind Schemata, um einen Vorteil der Art und Weise darzustellen, wie der thermoelektrische Messwandler 12 gemäß der ersten Ausführungsform installiert wird. 6A zeigt den thermoelektrischen Messwandler 12, der gemäß der Art und Weise der vorliegenden Ausführungsform installiert ist, mit der in 5 gezeigten Gestaltung. 6B zeigt den thermoelektrischen Messwandler, der auf andere Art und Weise als gemäß der vorliegenden Ausführungsform installiert ist. Genauer wird bei der in 6B gezeigten Installationsweise der thermoelektrische Messwandler solchermaßen am Wärmelieferanten installiert, dass die Stirnfläche des n-dotierten Halbleiterteils, das die höchste Bandlückenenergie aufweist, mit der Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt steht, statt dass die Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils mit der Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt steht.
Wenn der thermoelektrische Messwandler installiert ist wie in 6B gezeigt, wird dem n-dotierten Halbleiterteil mehr Wärme zugeführt als dem intrinsischen Halbleiterteil. Infolgedessen wird ein Temperaturunterschied solchermaßen erzeugt, dass die Temperatur des intrinsischen Halbleiterteils niedriger ist als die Temperatur des n-dotierten Halbleiterteils. Somit ist es schwierig, eine elektromotorische Spannung des thermoelektrischen Messwandlers auf effiziente Weise bereitzustellen, wie oben beschrieben. Im Gegensatz dazu steht gemäß der Installationsweise gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die in 6A gezeigt ist, die Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c mit der Wärme zuführenden Oberfläche (der Oberfläche des isolierenden Elements 18) in Kontakt, und daher kann Wärme zuverlässig in das intrinsische Halbleiterteil 12c eingebracht werden, das eine relativ niedrige Bandlückenenergie aufweist. Somit ist es weniger wahrscheinlich, dass ein Temperaturunterschied solchermaßen produziert wird, dass die Temperatur des n-dotierten Halbleiterteils 12a oder des p-dotierten Halbleiterteils 12b, die eine relativ hohe Bandlückenenergie aufweisen, höher ist als die Temperatur des intrinsischen Halbleiterteils 12c, so dass die elektromotorische Spannung des thermoelektrischen Messwandlers 12 auf effiziente Weise bereitgestellt werden kann. Da Wärme zuverlässig in den intrinsischen Halbleiterteil 12c eingebracht werden kann, kann dem intrinsischen Halbleiterteil 12c außerdem mit größerer Wahrscheinlichkeit so viel Wärme wie möglich vom Wärmelieferanten zugeführt werden, auch wenn die Wärmemenge, die vom Wärmelieferanten zugeführt wird, kleiner ist als die ideale Menge.
Ferner sind 7A und 7B Schemata, um einen Vorteil der Art und Weise der Stapelung des thermoelektrischen Messwandlers 12 gemäß der ersten Ausführungsform darzustellen. 7A zeigt die thermoelektrischen Messwandler 12, die auf die Art und Weise gemäß der vorliegenden Ausführungsform gestapelt sind, mit der in 5 gezeigten Gestaltung. 7B zeigt die thermoelektrischen Messwandler, die auf andere Art und Weise gestapelt sind. Genauer steht sowohl in der linken als auch in der rechten Gestaltung gemäß der in 7B gezeigten Art und Weise der Stapelung die Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils des untersten thermoelektrischen Messwandlers in direktem Kontakt mit der Wärme zuführenden Oberfläche, und jeder andere thermoelektrische Messwandler weist einen oder mehrere thermoelektrische Messwandler und Elektroden auf, die unterhalb von ihm zwischen ihm und der Wärme zuführenden Oberfläche angeordnet sind. In diesen Gestaltungen sind die Elektroden an den intrinsischen Halbleiterteilen angeordnet, die eine relativ niedrige Bandlückenenergie aufweisen.
Wenn die thermoelektrischen Messwandler auf die in 7B gezeigte Art und Weise gestapelt werden, ist es nicht zu vermeiden, dass die Wärme aus dem Abgas (der Wärmequelle) den thermoelektrischen Messwandlern, bei denen es sich nicht um den untersten thermoelektrischen Messwandler handelt, durch die anderen thermoelektrischen Messwandler und die Elektroden hindurch zugeführt wird. Im Gegensatz dazu steht bei der Stapelungsweise gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die in 7A gezeigt ist, ein Abschnitt der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c von jedem der thermoelektrischen Messwandler 12 des Messwandlerstapels 14 mit einem anderen Abschnitt der Wärme zuführenden Oberfläche (der Oberfläche des isolierenden Elements 18) in Kontakt (der Abschnitt entspricht einem „ersten Abschnitt der Wärme zuführenden Oberfläche” oder einem „zweiten Abschnitt der Wärme zuführenden Oberfläche” gemäß der vorliegenden Offenbarung). Mit einer solchen Gestaltung stehen anders als bei der in 7B gezeigten Gestaltung die Oberflächen der intrinsischen Halbleiterteile 12c sämtlicher thermoelektrischer Messwandler 12, aus denen der Messwandlerstapel 14 besteht, mit der Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt, ohne dass dort dazwischen irgendein anderer thermoelektrischer Messwandler 12 angeordnet ist. Infolgedessen kann das intrinsische Halbleiterteil 12c von jedem der einzelnen thermoelektrischen Messwandler 12 einen ungefähr gleichen Wärmefluss (eine Wärmemenge, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit hindurchgeht) von der Wärme zuführenden Oberfläche empfangen.
Bei der in 7A gezeigten Stapelungsweise gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Elektrode 16 so gestaltet, dass sie die Stirnfläche 12aes des n-dotierten Halbleiterteils 12a des thermoelektrischen Messwandlers 12 und die Stirnfläche 12bes des p-dotierten Halbleiterteils 12b eines anderen thermoelektrischen Messwandlers 12 miteinander verbindet. Da die Elektroden 16 so angeordnet sind, dass sie die Teile mit der höchsten Bandlückenenergie miteinander verbinden, kann die elektromotorische Spannung auf effiziente Weise bereitgestellt werden, und Wärme kann zuverlässig in jedes intrinsische Halbleiterteil 12c eingebracht werden.
Zweite Ausführungsform
Nun wird unter Bezugnahme auf 8 bis 12 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
8 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die eine Gestaltung eines Leistungsgenerators 30 für ein Fahrzeug gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung als Ganzes zeigt. Der Leistungsgenerator 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet eine Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern 12 als Komponenten eines thermoelektrischen Messwandlermoduls 32. In der vorliegenden Ausführungsform wird wie in der ersten Ausführungsform das Abgasrohr 2 als Beispiel den Wärmelieferanten verwendet, der den thermoelektrischen Messwandlern 12 Wärme zuführt. Das thermoelektrische Messwandlermodul 32 ist am Abgasrohr 2 installiert. Im Folgenden wird eine Art und Weise, wie das thermoelektrische Messwandlermodul 32 installiert wird, ausführlicher beschrieben.
9 ist eine perspektivische Teilansicht, die einen inneren Aufbau eines in 8 gezeigten thermoelektrischen Messwandlermoduls 32 zeigt. 10 ist eine Querschnittsansicht des thermoelektrischen Messwandlermoduls 32 und des Abgasrohrs 2 entlang der Linie A-A in 8. Wie in diesen Zeichnungen dargestellt ist, beinhaltet das thermoelektrische Messwandlermodul 32 den Messwandlerstapel 14, der von einem Stapel aus einer Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern 12 gebildet wird, und ein Gehäuse 32a, in dem der Messwandlerstapel 14 untergebracht ist. Das Gehäuse 32a ist so ausgebildet, dass es den Messwandlerstapel 14 umgibt. Das Gehäuse 32a ist mit einer nicht gezeigten Befestigungseinrichtung an einem flachen Teil des Abgasrohrs 2 befestigt. Das Gehäuse 32a besteht vorteilhafterweise aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und kann beispielsweise aus einem Metall, wie Aluminium, bestehen.
Das Gehäuse 32a weist einen ersten Wandteil 32a1 auf, der dem Abgasrohr 2 zugewandt ist, wenn das thermoelektrische Messwandlermodul 32 installiert ist. Der erste Wandteil 32a1 ist so geformt, dass er der Form der Außenfläche des Abgasrohrs 2 (die in einem Beispiel der vorliegenden Ausführungsform flach ist) folgt. Sobald das thermoelektrische Messwandlermodul 32 am Abgasrohr 2 installiert ist, steht die Außenfläche des ersten Wandteils 32a1 in direktem Kontakt mit der Außenfläche des Abgasrohrs 2. Der Messwandlerstapel 14 ist so vorgesehen, dass eine seiner Seitenflächen einer Innenfläche des ersten Wandteils 32a1 zugewandt ist, wobei das isolierende Element 18 dort dazwischen angeordnet ist.
Das Gehäuse 32a weist einen zweiten Wandteil 32a2 auf, der eine Innenfläche aufweist, die der Innenfläche des ersten Wandteils 32a1 entgegengesetzt ist. Der Messwandlerstapel 14 ist so angeordnet, dass eine seiner Seitenflächen, die der oben beschriebenen einen Seitenfläche, die dem ersten Wandteil 32a1 zugewandt ist, entgegengesetzt ist, dem zweiten Wandteil 32a2 zugewandt ist, wobei ein isolierendes Element 18 dort dazwischen angeordnet ist.
Mit einer solchen Gestaltung wird die Wärme aus dem Abgas durch das Abgasrohr 2, das Gehäuse 32a und das isolierende Element 18 hindurch auf den Messwandlerstapel 14 übertragen. Genauer empfängt das Gehäuse 32a die Wärme aus dem Abgas an der Außenfläche des ersten Wandteils 32a1, die der Innenfläche des ersten Wandteils 32a1 entgegengesetzt ist. Jeder thermoelektrische Messwandler 12 des Messwandlerstapels 14 empfängt Wärme von der Innenfläche des ersten Wandteils 32a1 durch das isolierende Element 18 hindurch und von der Innenfläche des zweiten Wandteils 32a2 durch das isolierende Element 18 hindurch. Kurz gesagt ist in der vorliegenden Ausführungsform, erneut basierend auf dem gleichen Konzept wie in der ersten Ausführungsform, jeder thermoelektrische Messwandler 12 so installiert, dass das intrinsische Halbleiterteil 12c mit der Wärme zuführenden Oberfläche (der Oberfläche des isolierenden Elements 18) in Kontakt steht. Wärme kann daher dem intrinsischen Halbleiterteil 12c des thermoelektrischen Messwandlers 12 aus zwei Richtungen (vom ersten Wandteil 32a1 und vom zweiten Wandteil 32a2) zugeführt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform entsprechen das Gehäuse 32a (die Wandteile 32a1 und 32a2) und das isolierende Element 18, die zwischen den einzelnen thermoelektrischen Messwandlern 12 und dem Abgasrohr 2 angeordnet sind, dem „Zwischenelement” gemäß der vorliegenden Offenbarung. Darüber hinaus entsprechen die Oberflächen der isolierenden Elemente 18, die auf der Seite des thermoelektrischen Messwandlers 12 angeordnet sind und mit dem ersten Wandteil 32a1 und dem zweiten Wandteil 32a2 in Kontakt stehen, den „Wärme zuführenden Oberflächen” (genauer einer „ersten Wärme zuführenden Oberfläche” und einer „zweiten Wärme zuführenden Oberfläche”) gemäß der vorliegenden Offenbarung. Ferner entsprechen die Abschnitte der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c, die mit den Oberflächen der isolierenden Elemente 18, die den ersten und zweiten Wärme zuführenden Oberflächen entsprechen, in Kontakt stehen, einem „ersten Abschnitt” bzw. einem „zweiten Abschnitt” gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Nun wird ein Vorteil der Art und Weise beschrieben, wie der thermoelektrische Messwandler (der Messwandlerstapel) gemäß der vorliegenden Ausführungsform installiert wird. 11A und 11B sind Schemata, um einen Vorteil der Art und Weise darzustellen, wie der thermoelektrische Messwandler 12 gemäß der zweiten Ausführungsform installiert wird, wobei ein einzelner thermoelektrischer Messwandler 12 betrachtet wird. 11B zeigt den thermoelektrischen Messwandler, der auf andere Art und Weise als gemäß der vorliegenden Offenbarung installiert ist, wenn der thermoelektrische Messwandler Wärme aus zwei Richtungen (vom ersten und vom zweiten Wandteil) empfängt. In dem Beispiel der in 11B gezeigten Installationsweise steht die Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils in den beiden Richtungen nicht in Kontakt mit einer der beiden Wärme zuführenden Oberflächen, und die Stirnflächen des n-dotierten Halbleiterteils und des p-dotierten Halbleiterteils, welche die höchste Bandlückenenergie aufweisen, stehen mit den jeweiligen einander entgegengesetzten Wärme zuführenden Oberflächen in Kontakt. Bei dieser Gestaltung wird dem n-dotierten Halbleiterteil und dem p-dotierten Halbleiterteil mehr Wärme zugeführt als dem intrinsischen Halbleiterteil.
11A zeigt den thermoelektrischen Messwandler 12, der auf die Art und Weise gemäß der vorliegenden Ausführungsform installiert ist, mit der in 8 bis 10 gezeigten Gestaltung. Wie in 11A gezeigt ist, kann mit der Gestaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform dem intrinsischen Halbleiterteil 12c durch die isolierenden Elemente 18 hindurch Wärme zuverlässig von sowohl dem ersten Wandteil 32a1 als auch dem zweiten Wandteil 32a2 zugeführt werden. Im Vergleich zu der Gestaltung gemäß der ersten Ausführungsform, in der Wärme in nur einer Richtung zugeführt wird, kann Wärme gleichmäßiger in die einzelnen thermoelektrischen Messwandler 12 eingebracht werden.
12A und 12B sind Schemata, um einen Vorteil der Art und Weise der Stapelung des thermoelektrischen Messwandlers 12 gemäß der zweiten Ausführungsform darzustellen. 12B zeigt Beispiele für die Art und Weise der Stapelung der thermoelektrischen Messwandler, die möglich ist, wenn Wärme aus zwei Richtungen zugeführt wird. Die Art und Weise der Stapelung der thermoelektrischen Messwandler in diesen Beispielen ist die gleiche wie die in 7B gezeigte. Sowohl in der linken als auch der rechten Gestaltung gemäß der in 12B gezeigten Stapelungsweise stehen die Oberflächen der intrinsischen Halbleiterteile der beiden thermoelektrischen Messwandler, die dem ersten und dem zweiten Wandteil des Gehäuses am nächsten liegen, in direktem Kontakt mit den beiden Wärme zuführenden Oberflächen.
12A zeigt die thermoelektrischen Messwandler 12, die auf die Art und Weise gemäß der vorliegenden Ausführungsform gestapelt sind, mit der in 8 bis 10 gezeigten Gestaltung. Gemäß dieser Stapelungsweise stehen auf den Seiten der ersten und zweiten Wandteile 32a1 und 32a2 die Oberflächen des intrinsischen Halbleiterteils 12c von jedem der thermoelektrischen Messwandler 12 des Messwandlerstapels 14 mit unterschiedlichen Abschnitten der jeweiligen Wärme zuführenden Oberflächen in Kontakt. Infolgedessen kann das intrinsische Halbleiterteil 12c von jedem der einzelnen thermoelektrischen Messwandler 12 von den beiden Wärme zuführenden Oberflächen einen ungefähr gleichen Wärmefluss empfangen.
Bei der Stapelungsweise gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die in 12A gezeigt ist, verbindet die Elektrode 16 die Teile mit der höchsten Bandlückenenergie elektrisch miteinander. Auch wenn die Wärme aus zwei Richtungen zugeführt wird, kann daher die elektromotorische Spannung auf effiziente Weise bereitgestellt werden und Wärme kann zuverlässig in die einzelnen Halbleiterteile 12c eingebracht werden.
Bei dem Leistungsgenerator 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind Hauptkomponenten für die thermoelektrische Leistungserzeugung modularisiert wie nachstehend beschrieben. Das heißt, der Leistungsgenerator 30 weist das thermoelektrische Messwandlermodul 32 auf, das den Messwandlerstapel 14, das heißt einen Stapel aus einer Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern 12, und das Gehäuse 32a beinhaltet, das nicht nur dazu dient, den Messwandlerstapel 14 zu umschließen und zu schützen, sondern auch als Zwischenelement zum Übertragen von Wärme aus dem Abgasrohr 2 auf den Messwandlerstapel 14 dient. Mit dem Leistungsgenerator 30 kann eine thermoelektrische Leistungserzeugung unter Verwendung der thermoelektrischen Messwandler 12 einfach durch Installieren des thermoelektrischen Messwandlermoduls 32 am Abgasrohr 2 und Ausbilden der elektrischen Schaltung 20 erreicht werden.
Im Messwandlerstapel 14 im thermoelektrischen Messwandlermodul 32 sind die thermoelektrischen Messwandler 12 in Serpentinenform entlang des ersten Wandteils 32a1 des Gehäuses 32a gestapelt, das so installiert ist, dass es der Form der Außenfläche des Abgasrohrs 2 folgt. Wenn die thermoelektrischen Messwandler 12 auf diese Weise gestapelt werden, ist es deswegen günstig, das thermoelektrische Messwandlermodul 32 solchermaßen zu platzieren, dass der erste Wandteil 32a1 der Form der Außenfläche des Abgasrohrs 2 folgt (oder der zweite Wandteil 32a2 der Form der Außenfläche des Abgasrohrs 2 folgt), wie oben beschrieben, weil eine ausreichende Fläche des Gehäuses 32a für die Wärmeübertragung vom Abgasrohr 2 genutzt werden kann. Jedoch ist das Stapelungsmuster der thermoelektrischen Messwandler 12 nicht auf dieses Muster beschränkt, und es ist jedes Stapelungsmuster möglich, solange es die Notwendigkeit erfüllt, dass zumindest ein Abschnitt der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c von jedem thermoelektrischen Messwandler 12 mit der „Wärme zuführenden Oberfläche” in Kontakt steht. Die Form des Gehäuses für den Messwandlerstapel ist je nach Stapelungsmuster verschieden. Die Ausrichtung des thermoelektrischen Messwandlermoduls in Bezug auf das Abgasrohr 2 kann unter dem Gesichtspunkt des Wirkungsgrads der Wärmeübertragung auf den Messwandlerstapel in Abhängigkeit vom Stapelungsmuster und von der Form des Gehäuses geeignet bestimmt werden.
In dieser zweiten Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, in dem jeder thermoelektrische Messwandler 12 Wärme von mindestens zwei Wärme zuführenden Oberflächen (aus zwei Richtungen) empfängt. Jedoch kann gemäß der vorliegenden Offenbarung die Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils des thermoelektrischen Messwandlers mit drei oder mehr Wärme zuführenden Oberflächen in Kontakt stehen. Zum Beispiel können in einer Gestaltung, in der thermoelektrische Messwandler mit der Form eines rechtwinkligen Parallelflachs gestapelt werden, um einen Messwandlerstapel in Stangenform zu bilden, und der stangenförmige Messwandlerstapel in einem Gehäuse untergebracht wird, das die Form eines rechtwinkligen Parallelflachs aufweist, drei oder vier von den vier inneren Seitenflächen des Gehäuses mit der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils in Kontakt stehen. Die Gestaltung, bei der die vier inneren Seitenflächen (das heißt alle Seitenflächen) als Wärme zuführende Oberflächen genutzt werden, entspricht einer Gestaltung, bei der die gesamte Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils mit der Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt steht, wie in der weiter unten beschriebenen 21 gezeigt.
In dieser zweiten Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem die Wärme zuführenden Oberflächen für alle thermoelektrischen Messwandler 12, aus denen der Messwandlerstapel 14 besteht, Oberflächen der Isolierelemente 18 auf der Seite der thermoelektrischen Messwandler 12 sind. Jedoch können die Wärme zuführenden Oberflächen für nur einige von der Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern, aus denen der Messwandlerstapel besteht, der in dem Gehäuse des thermoelektrischen Messwandlermoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung untergebracht ist, die Oberflächen der isolierenden Elemente auf der Seite der thermoelektrischen Messwandler sein. In einer Anordnung, die kein isolierendes Element zwischen dem Gehäuse und den thermoelektrischen Messwandlern benötigt, kann es sich bei den Wärme zuführenden Oberflächen für zumindest manche von der Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern, aus denen der Messwandlerstapel besteht, um die Innenfläche des Gehäuses handeln. Dies gilt auch für weiter unten beschriebene Messwandlerstapel 42 und 64.
Dritte Ausführungsform
Nun wird unter Bezugnahme auf 13 und 14 eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
13 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die eine Gestaltung eines Leistungsgenerators 40 für ein Fahrzeug gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung als Ganzes zeigt. Der Leistungsgenerator 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet einen Messwandlerstapel 42. Eine Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern 12, aus denen der Messwandlerstapel 42 besteht, sind in Reihe miteinander verbunden, wobei zwischen jeweils zwei einander benachbarten von den thermoelektrischen Messwandlern 12 eine Elektrode 44 angeordnet ist, wie in 13 gezeigt ist. Das Stapelungsmuster des Messwandlerstapels 42 ist beispielsweise das gleiche wie beim Messwandlerstapel 14 gemäß der ersten Ausführungsform. Der Leistungsgenerator 40 unterscheidet sich vom Leistungsgenerator 10 gemäß der ersten Ausführungsform in der Anordnung der Elektroden 44. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf den Unterschied.
Wie in 13 gezeigt ist, ist jede Elektrode 44, die zwei thermoelektrische Messwandler 12 miteinander verbindet, so angeordnet, dass sie weder mit dem als Wärmelieferant dienenden Abgasrohr, das dem Messwandlerstapel 42 Wärme zuführt, noch mit dem als das Zwischenelement dienenden isolierenden Element 18, das die Wärme überträgt, in Kontakt steht. Anders ausgedrückt ist eine Luftschicht 46 zwischen der Oberfläche der Elektrode 44 und der Oberfläche des Abgasrohrs 2 (der Wärme zuführenden Oberfläche) vorhanden.
14A und 14B sind Schemata, um einen Vorteil der Anordnung der Elektroden 44 gemäß der dritten Ausführungsform darzustellen. 14B zeigt die Anordnung der Elektrode 16 gemäß der ersten Ausführungsform. Bei dieser Anordnung steht die Oberfläche der Elektrode 16 in direktem Kontakt mit der Oberfläche des isolierenden Elements 18, die als die Wärme zuführende Oberfläche dient. Die Elektrode 16, die aus Metall besteht, weist grundsätzlich eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als der thermoelektrische Messwandler 12. Bei der in 14B gezeigten Anordnung weist daher die Elektrode 16 eine stärkere Neigung auf, Wärme aufzunehmen, als der thermoelektrische Messwandler 12. Infolgedessen wird die Wärme, die der Elektrode 16 durch das isolierende Element 18 hindurch zugeführt wird, leicht auf die Teile des thermoelektrischen Messwandlers 12, die mit der Elektrode 16 (das heißt mit den Stirnflächen 12aes und 12bes des n-dotierten Halbleiterteils 12a und des p-dotierten Halbleiterteils 12b, welche die höchste Bandlückenenergie aufweisen) in Kontakt stehen, übertragen.
Dagegen ist bei der Anordnung gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die in 14A gezeigt ist, der Luftspalt 46 zwischen der Oberfläche der Elektrode 44 und der Oberfläche des Abgasrohrs 2 vorhanden, und die Oberfläche der Elektrode 44 steht nicht in Kontakt mit der Oberfläche des Abgasrohrs 2. Bei einer solchen Anordnung wird Wärme von der Oberfläche des Abgasrohrs 2 (der Wärme zuführenden Oberfläche) her durch die Luftschicht 46 hindurch zur Oberfläche der Elektrode 44 auf der Seite des Abgasrohrs 2 übertragen. Somit ist der Wärmefluss von der Oberfläche des Abgasrohrs 2, der an der Oberfläche der Elektrode 44 empfangen wird, bei dieser Wärmeübertragung schwächer als der Wärmefluss von der Oberfläche des isolierenden Elements 18 (der Wärme zuführenden Oberfläche), der durch Wärmeleitung an der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c des thermoelektrischen Messwandlers 12 empfangen wird. Infolgedessen kann die Wärme, die von der Elektrode 44 her in den n-dotierten Halbleiterteil 12a und den p-dotierten Halbleiterteil 12b eingebracht wird, reduziert werden. Infolgedessen ist es weniger wahrscheinlich, dass ein Temperaturunterschied solchermaßen erzeugt wird, dass die Temperatur des n-dotierten Halbleiterteils 12a oder des p-dotierten Halbleiterteils 12b, die eine relativ hohe Bandlückenenergie aufweisen, höher ist als die Temperatur des intrinsischen Halbleiterteils 12c. Somit kann eine effiziente Leistungserzeugung erreicht werden.
Vierte Ausführungsform
Nun wird unter Bezugnahme auf 15 eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. In der oben beschriebenen dritten Ausführungsform weist der Leistungsgenerator 40 die Luftschicht 46 zwischen der Oberfläche der Elektrode 44 und der Oberfläche des Abgasrohrs 2 (der Wärme zuführenden Oberfläche) auf. Jedoch ist gemäß der vorliegenden Offenbarung die konkrete Anordnung zur Reduzierung des an der Oberfläche der Elektrode auf der Seite der Wärme zuführenden Oberfläche empfangenen Wärmeflusses im Vergleich zu dem Wärmefluss von der Wärme zuführenden Oberfläche, der an der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c des thermoelektrischen Messwandlers empfangen wird, nicht auf die Anordnung in dem oben beschriebenen Beispiel beschränkt, und die nachstehend unter Bezugnahme auf 15 beschriebene Anordnung ist beispielsweise ebenso gut möglich.
15 ist ein Schema, das eine Anordnung der Elektrode 44 in einem Leistungsgenerator 50 für ein Fahrzeug gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. In dem in 15 gezeigten Leistungsgenerator 50 ist anstelle der Luftschicht 46 ein Wärmeisolator 52 (der einem „Wärmeisolator” gemäß der vorliegenden Offenbarung entspricht) zwischen der Oberfläche der Elektrode 44 und der Oberfläche des Abgasrohrs 2 (der Wärme zuführenden Oberfläche) angeordnet. Genauer besteht der Wärmeisolator 52 aus einem Material (beispielsweise Keramik), das eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Elektrode 44. Die Anordnung, in welcher der Wärmeisolator 52 verwendet wird, kann auch die Wärmeübertragung vom Abgasrohr 2 auf die Elektrode 44 reduzieren. Infolgedessen ist es weniger wahrscheinlich, dass der Temperaturunterschied auf die oben beschriebene Weise erzeugt wird, und es kann eine effiziente Leistungserzeugung erreicht werden. Der Wärmeisolator 52 kann ein separates Element sein, das beispielsweise an der Oberfläche der Elektrode 44 oder einer Überzugsschicht, die auf die Oberfläche der Elektrode 44 aufgebracht worden ist, befestigt sein kann.
Fünfte Ausführungsform
Nun wird unter Bezugnahme auf 16 und 17 eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
16 ist eine schematische Skizze, die eine Gestaltung eines Leistungsgenerators 60 für ein Fahrzeug gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung als Ganzes zeigt. Der Leistungsgenerator 60 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist mit einem thermoelektrischen Messwandlermodul 62 ausgestattet. Das thermoelektrische Messwandlermodul 62 beinhaltet einen Messwandlerstapel 64 und das oben unter Bezugnahme auf die zweite Ausführungsform beschriebene Gehäuse 32a. Die Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern 12, aus denen der Messwandlerstapel 64 besteht, sind in Reihe miteinander verbunden, wobei zwischen jeweils zwei einander benachbarten von den thermoelektrischen Messwandlern 12 eine Elektrode 66 angeordnet ist, wie in 16 gezeigt ist. Die Gestaltung des Messwandlerstapels 64 ist gleich wie beim oben beschriebenen Messwandlerstapel 14 oder 42, abgesehen von der Anordnung der Elektrode 66.
Die Anordnung der Elektrode 66 gemäß der vorliegenden Ausführungsform entspricht der Anordnung, bei der den einzelnen thermoelektrischen Messwandlern 12 Wärme aus zwei Richtungen zugeführt wird und auf die außerdem das Konzept der Elektrode 44 wie bei der dritten Ausführungsform angewendet wird. Das heißt, wie in 16 dargestellt ist, ist jede Elektrode 66, die zwei thermoelektrische Messwandler 12 verbindet, so angeordnet, dass sie weder mit den Wandteilen 32a1 und 32a2 des Gehäuses 32a noch mit dem isolierenden Element 18, die als Zwischenelement für die Übertragung von Wärme auf den Messwandlerstapel 64 dienen, in Kontakt steht. Anders ausgedrückt ist eine Luftschicht 68 zwischen der Oberfläche der Elektrode 66 und der Oberfläche des ersten Wandteils 32a1 (einer Wärme zuführenden Oberfläche) und zwischen der Oberfläche der Elektrode 66 und der Oberfläche des zweiten Wandteils 32a2 (einer Wärme zuführenden Oberfläche) vorgesehen.
17A und 17B sind Schemata, um einen Vorteil der Anordnung der Elektrode 66 gemäß der fünften Ausführungsform darzustellen. 17B zeigt die Anordnung der Elektrode 16 gemäß der zweiten Ausführungsform. In der in 17B gezeigten Anordnung steht die Elektrode 16 auf der Seite sowohl des ersten Wandteils 32a1 als auch des zweiten Wandteils 32a2 in direktem Kontakt mit der Oberfläche des isolierenden Elements 18, die als die Wärme zuführende Oberfläche dient.
Dagegen ist bei der Anordnung gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die in 17A gezeigt ist, die Luftschicht 68 zwischen der Oberfläche der Elektrode 66 und der Oberfläche des ersten Wandteils 32a1 (einer Wärme zuführenden Oberfläche) und zwischen der Oberfläche der Elektrode 66 und der Oberfläche des zweiten Wandteils 32a2 (einer Wärme zuführenden Oberfläche) vorhanden, und die Elektrode 66 steht mit keinem der Wandteile 32a1 und 32a2 in Kontakt. Bei einer solchen Anordnung ist auf der Seite sowohl des ersten Wandteils 32a1 als auch des zweiten Wandteils 32a2 der Wärmefluss von den Oberflächen der Wandteile 32a1 und 32a2 (Wärme zuführenden Oberflächen), der an der Oberfläche der Elektrode 66 empfangen wird, schwächer als der Wärmefluss von der Oberfläche des isolierenden Elements 18 (einer Wärme zuführenden Oberfläche), der an der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c des thermoelektrischen Messwandlers 12 empfangen wird. Infolgedessen kann die Wärme, die von der Elektrode 66 her in den n-dotierten Halbleiterteil 12a und den p-dotierten Halbleiterteil 12b eingebracht wird, reduziert werden und eine effiziente Leistungserzeugung kann erreicht werden.
Sechste Ausführungsform
Nun wird unter Bezugnahme auf 18 eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Wie bei der Beziehung zwischen der Gestaltung gemäß der dritten Ausführungsform, die in 14A gezeigt ist, und der Gestaltung gemäß der vierten Ausführungsform, die in 15 gezeigt ist, kann die Gestaltung gemäß der fünften Ausführungsform, die in 17A gezeigt ist, in die nachstehend beschriebene Gestaltung modifiziert werden, die in 18 gezeigt ist.
18 ist ein Schema, das eine Anordnung der Elektrode 66 in einem Leistungsgenerator 70 für ein Fahrzeug gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. In dem in 18 gezeigten Leistungsgenerator 70 ist anstelle der Luftschicht 68 ein Wärmeisolator 72 mit der gleichen Gestaltung wie der Wärmeisolator 52 zwischen der Oberfläche der Elektrode 66 und der Oberfläche des Wandteils 32a1 des Gehäuses 32a (einer Wärme zuführenden Oberfläche) und zwischen der Oberfläche der Elektrode 66 und der Oberfläche des Wandteils 32a2 des Gehäuses 32a (einer Wärme zuführenden Oberfläche) angeordnet. Die Anordnung, in welcher der Wärmeisolator 72 verwendet wird, kann auch die Wärmeübertragung von den Wandteilen 32a1 und 32a2 auf die Elektrode 66 reduzieren. Infolgedessen kann der Wärmeeintrag von der Elektrode 66 in den n-dotierten Halbleiterteil 12a und den p-dotierten Halbleiterteil 12b reduziert werden und eine effiziente Leistungserzeugung kann erreicht werden.
In der ersten bis zur sechsten Ausführungsform, die oben beschrieben wurden, ist der Leistungsgenerator 10, 30, 40, 50, 60 oder 70 mit dem Messwandlerstapel 14, 42 oder 64 ausgestattet, der von einer Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern 12 gebildet wird. Jedoch ist die vorliegende Ausführungsform nicht unbedingt auf die Leistungsgeneratoren beschränkt, die eine Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern in der Form eines Messwandlerstapels aufweisen, und der Leistungsgenerator gemäß der vorliegenden Offenbarung kann auch nur einen einzigen thermoelektrischen Messwandler beinhalten.
19 ist ein Schema zur Darstellung einer anderen Art und Weise, wie der in 2 gezeigte thermoelektrische Messwandler 12 installiert werden kann. Ein Abgasrohr 82 eines Fahrzeugs, das einen in 19 gezeigten Leistungsgenerator 80 beinhaltet, weist einen Abgasrohrhauptteil 82a auf. Der Abgasrohrhauptteil 82a weist an seiner Außenfläche ein Lamellenteil 82b auf, das sich in einer Richtung erstreckt, die senkrecht ist zur Richtung des Strömungswegs des Abgasrohrs 82. Der thermoelektrische Messwandler 12 des Leistungsgenerators 80 ist am Lamellenteil 82b installiert, wobei das isolierende Element 18 dort dazwischen angeordnet ist. Außerdem ist ein Wärmeisolator 84 (der dem „Wärmeisolator” gemäß der vorliegenden Offenbarung entspricht) zwischen der Oberfläche des Abgasrohrhauptteils 82a (einer Wärme zuführenden Oberfläche) und dem Endabschnitt 12ae (genauer der Stirnfläche 12aes) des n-dotierten Halbleiterteils 12a angeordnet. Der Wärmeisolator 84 besteht aus einem Material (beispielsweise Keramik), das eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der thermoelektrische Messwandler 12. Bei einer solchen Gestaltung ist zwar der Endabschnitt 12ae des n-dotierten Halbleiterteils 12a, das heißt der Teil mit der höchsten Bandlückenenergie, nahe an der Wärme zuführenden Oberfläche angeordnet, aber ein Wärmeeintrag in diesen Teil kann unterdrückt werden. Als Alternative zu der in 19 gezeigten Gestaltung kann der Wärmeisolator 84 zwischen dem Endabschnitt 12be des p-dotierten Halbleiterteils 12b und der Wärme zuführenden Oberfläche angeordnet sein. Wiederum kann sowohl mit der in 19 gezeigten Gestaltung als auch mit deren Alternativen dem thermoelektrischen Messwandler 12 Wärme zugeführt werden, während es weniger wahrscheinlich ist, dass ein Temperaturunterschied solchermaßen produziert wird, dass die Temperatur des n-dotierten Halbleiterteils 12a und des p-dotierten Halbleiterteils 12b, die eine relativ hohe Bandlückenenergie aufweisen, höher ist als die Temperatur des intrinsischen Halbleiterteils 12c.
20 ist ein Schema zur Darstellung einer anderen Art und Weise, wie der in 2 gezeigte thermoelektrische Messwandler 12 installiert werden kann. Ein Abgasrohr 92 eines Fahrzeugs, das einen in 20 gezeigten Leistungsgenerator 90 beinhaltet, weist einen Abgasrohrhauptteil 92a auf. Der Abgasrohrhauptteil 92a weist an seiner Außenfläche einen Vorsprung 92b auf, der in einer Richtung vorsteht, die senkrecht ist zur Richtung des Strömungswegs des Abgasrohrs 92. Der thermoelektrische Messwandler 12 des Leistungsgenerators 90 ist am Vorsprung 92b installiert, wobei das isolierende Element 18 dort dazwischen angeordnet ist. Wie in 20 dargestellt ist, steht der thermoelektrische Messwandler 12 nicht mit seiner gesamten Seitenfläche mit der Wärme zuführenden Oberfläche (einer Oberfläche des isolierenden Elements 18) auf der Seite des Abgasrohrs 92 in Kontakt, sondern nur an der Seitenfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c und der Seitenfläche eines Teils des thermoelektrischen Messwandlers 12, der nahe am intrinsischen Halbleiterteil 12c liegt. Bei einer solchen Gestaltung kann Wärme intensiv in den intrinsischen Halbleiterteil 12c eingebracht werden, der eine niedrigere Bandlückenenergie aufweist als der n-dotierte Halbleiterteil 12a und der p-dotierte Halbleiterteil 12b. Mit dieser Gestaltung kommt es daher weniger wahrscheinlich auf die oben beschriebene Weise zu dem Temperaturunterschied. Der Vorsprung 92b kann ein Zwischenelement sein, das nicht Teil des Abgasrohrs 92 ist und das Wärme vom Abgasrohr 92 auf den thermoelektrischen Messwandler 12 überträgt. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann der thermoelektrische Messwandler auf jede Art und Weise installiert werden, einschließlich des in 20 gezeigten Beispiels, solange gewährleistet ist, dass von der Oberfläche des thermoelektrischen Messwandlers zumindest ein Abschnitt (beispielsweise eine Seitenfläche, wenn der thermoelektrische Messwandler die Form eines Prismas aufweist) von zumindest der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils mit der Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt steht.
21A und 21B sind Schemata zur Darstellung einer anderen Art und Weise, wie der in 2 gezeigte thermoelektrischen Messwandlers 12 installiert werden kann. In einem in 21A gezeigten Leistungsgenerator 100 ist der thermoelektrische Messwandler 12 am Abgasrohr 2 installiert, wobei ein Zwischenelement 102 und das isolierende Element 18 dort dazwischen angeordnet sind. 21B ist eine Querschnittsansicht des thermoelektrischen Messwandlers 12 und der umgebenden Struktur entlang der Linie B-B in 21A. Wie aus diesen Zeichnungen ersichtlich ist, ist der thermoelektrische Messwandler 12 in ein Durchgangsloch 102a eingeführt, das im Zwischenelement 102 ausgebildet ist, und die Oberfläche des isolierenden Elements 12c und ein Teil des thermoelektrischen Messwandlers 12 in der Nähe des intrinsischen Halbleiterteils 12c sind mit dem Zwischenelement 102 bedeckt, wobei das isolierende Element 18 dort dazwischen angeordnet ist. Innerhalb des Durchgangslochs 102a steht die gesamte Seitenfläche des thermoelektrischen Messwandlers 12 mit der Oberfläche des isolierenden Elements 18 (einer Wärme zuführenden Oberfläche) in Kontakt. Das heißt, bei dieser Gestaltung steht anders als bei den Gestaltungen, bei denen nur ein Abschnitt der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c mit der Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt steht, beispielsweise bei der in 5 gezeigten Gestaltung, die gesamte Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils 12c mit der Oberfläche des isolierenden Elements 18 (einer Wärme zuführenden Oberfläche) in Kontakt. Gemäß dieser Gestaltung wird dem thermoelektrischen Messwandler 12 vom Abgasrohr 2 durch das Zwischenelement 102 und das isolierende Element 18 Wärme aus dem Abgas zugeführt. Bei einer solchen Gestaltung kann ebenfalls Wärme intensiv in den intrinsischen Halbleiterteil 12c eingebracht werden, der eine relativ niedrige Bandlückenenergie aufweist.
22A und 22B sind Schemata zur Darstellung einer anderen Art und Weise der Stapelung der in 2 gezeigten thermoelektrischen Messwandler 12. in einem in 22A gezeigten Leistungsgenerator 110 ist wiederum jeder thermoelektrische Messwandler 12 am Abgasrohr 2 installiert, wobei das isolierende Element 18 dort dazwischen angeordnet ist. Natürlich ist jeder thermoelektrische Messwandler 12, wie in den anderen Beispielen, so angeordnet, dass das intrinsische Halbleiterteil 12c mit der Wärme zuführenden Oberfläche (der Oberfläche des isolierenden Elements 18) in Kontakt steht.
22B ist eine Draufsicht auf den thermoelektrischen Messwandler 12, gesehen aus der Richtung des Pfeils C in 22A. Wie aus diesen Zeichnungen ersichtlich ist, sind Stirnflächen 12bes der p-dotierten Halbleiterteile 12b, die als positive Elektrode dienen, voneinander benachbarten thermoelektrischen Messwandlern 12 (die dem „ersten thermoelektrischen Messwandler” und dem „zweiten thermoelektrischen Messwandler” gemäß der vorliegenden Offenbarung entsprechen) durch eine Elektrode 112 (die einer „positiven Elektrode” gemäß der vorliegenden Offenbarung entspricht) elektrisch miteinander verbunden, und Stirnflächen 12aes des n-dotierten Halbleiterteils 12a, die als negative Elektrode dienen, der einander benachbarten thermoelektrischen Messwandler 12 sind durch eine Elektrode 114 (die einer „negative Elektrode” gemäß der vorliegenden Offenbarung entspricht) elektrisch miteinander verbunden. Der Messwandlerstapel aus einer Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern 12 ist nicht auf den Stapel beschränkt, der die thermoelektrischen Messwandler 12 beinhaltet, die miteinander in Reihe verbunden sind wie in den oben beschriebenen Beispielen, sondern ein Stapel, der die thermoelektrischen Messwandler 12 enthält, die parallel miteinander verbunden sind, beispielsweise die in 22A und 22B gezeigte Gestaltung, ist ebenfalls möglich. Als Alternative kann der Messwandlerstapel gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Kombination aus einer Reihenverbindung einer Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern 12 und einer Parallelverbindung einer Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern 12 sein. Außerdem muss die Kombination nicht auf thermoelektrischen Messwandlern basieren. Zum Beispiel ist eine Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern in Reihe miteinander verbunden, um einen Messwandlerstapel zu bilden, der eine gewünschte elektromotorische Spannung liefert, und eine Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlermodulen, die jeweils einen solchen Messwandlerstapel beinhalten, können parallel zueinander verbunden sein.
Ferner ist bei der in 22A und 22B gezeigten Gestaltung, wie bei der Gestaltung gemäß der dritten Ausführungsform, eine Luftschicht 116 zwischen der Oberfläche der Elektrode 114 auf der Seite des Abgasrohrs 2 und der Oberfläche des Abgasrohrs 2 (einer Wärme zuführenden Oberfläche) vorgesehen. Als Alternative kann wie bei der Gestaltung gemäß der vierten Ausführungsform der Wärmeisolator 52 zwischen der Oberfläche der Elektrode 114 auf der Seite des Abgasrohrs 2 und der Oberfläche des Abgasrohrs 2 (einer Wärme zuführenden Oberfläche) vorgesehen sein.
23 ist ein Schema zur Darstellung einer anderen Art und Weise, wie der in 2 gezeigte thermoelektrische Messwandler 12 installiert werden kann. In einem in 23 gezeigten Leistungsgenerator 120 wird jedem thermoelektrischen Messwandler 12 Wärme von den beiden Wärmelieferanten eines Fahrzeugs zugeführt, genauer von einem Gehäuse einer Batterie 122 und einem Kühlwasserschlauch 124. Bei einer solchen Gestaltung steht der intrinsische Halbleiterteil 12c jedes thermoelektrischen Messwandlers 12 mit der Oberfläche der Batterie 122 und der Oberfläche des Kühlwasserschlauchs 124 (das heißt mit den Wärme zuführenden Oberflächen der beiden Wärmelieferanten) in Kontakt. Das Gehäuse der Batterie 122 besteht aus Harz und der Kühlwasserschlauch 124 besteht aus Gummi. Das heißt, diese Wärmelieferanten bestehen aus Materialien mit stark isolierenden Eigenschaften. Somit entspricht diese Gestaltung einem Beispiel, in dem kein isolierendes Element 18, das als Zwischenelement dient, vorhanden ist, und die Oberfläche des Wärmelieferanten als die Wärme zuführende Oberfläche dient, mit welcher der thermoelektrische Messwandler 12 in Kontakt steht.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung können als Alternative zu den beiden Wärmelieferanten in dem in 23 gezeigten Beispiel drei oder mehr Wärmelieferanten verwendet werden, um einem thermoelektrischen Messwandler Wärme zuzuführen. Ferner ist in der in 23 gezeigten Gestaltung die Wärmequelle des Gehäuses der Batterie 122 die Batterie 122 selbst und die Wärmequelle des Kühlwasserschlauchs ist das Motorkühlwasser (vom Verbrennungsmotor 1). Die Mehrzahl von Wärmelieferanten gemäß der vorliegenden Offenbarung müssen keine verschiedenen Wärmequellen haben wie in der Gestaltung des in 23 gezeigten Beispiels, und es kann auch eine Mehrzahl von Wärmelieferanten verwendet werden, die sich eine Wärmequelle (Motorkühlwasser) teilen, beispielsweise ein Kühlkörper und der Kühlwasserschlauch.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen und Modifikationen können auch auf andere Weise als oben ausdrücklich beschrieben kombiniert werden und können auf verschiedene Weise modifiziert werden, ohne vom Bereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015125823 A1 [0002, 0003, 0004, 0005, 0051]
JP 2004-011512 A [0004]

Claims

Leistungsgenerator (10; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120) für ein Fahrzeug, aufweisend: einen thermoelektrischen Messwandler (12) mit einem n-dotierten Halbleiterteil (12a), einem p-dotierten Halbleiterteil (12b) und einem zwischen dem n-dotierten Halbleiterteil (12a) und dem p-dotierten Halbleiterteil (12b) angeordneten intrinsischen Halbleiterteil (12c), wobei eine Bandlückenenergie des intrinsischen Halbleiterteils (12c) niedriger ist als die Bandlückenenergie sowohl des n-dotierten Halbleiterteils (12a) als auch des p-dotierten Halbleiterteils (12b), wobei der Leistungsgenerator (10; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120) in einem Fahrzeug verwendet wird, das einen Wärmelieferanten (2) beinhaltet, der dafür ausgelegt ist, dem thermoelektrischen Messwandler (12) Wärme zuzuführen, wobei dem thermoelektrischen Messwandler (12) Wärme von einer Wärme zuführenden Oberfläche (12) zugeführt wird, bei der es sich um eine Oberfläche des Wärmelieferanten (2; 82, 92) oder eine Oberfläche eines Zwischenelements (18) zwischen dem thermoelektrischen Messwandler (12) und dem Wärmelieferanten (2; 82; 92) handelt, und wobei der thermoelektrische Messwandler (12) solchermaßen installiert ist, dass von einer Oberfläche des thermoelektrischen Messwandlers (12) zumindest ein Abschnitt einer Oberfläche von zumindest dem intrinsischen Halbleiterteil (12c) mit der Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt steht.
Leistungsgenerator (10; 30; 40; 50; 60) für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der thermoelektrische Messwandler (12) einen ersten thermoelektrischen Messwandler (12) und einen zweiten thermoelektrischen Messwandler (12) beinhaltet, wobei der Leistungsgenerator (10; 30; 40; 50; 60) ferner eine Elektrode (16; 44; 66) aufweist, die den ersten thermoelektrischen Messwandler (12) und den zweiten thermoelektrischen Messwandler (12) elektrisch miteinander verbindet, wobei von der Oberfläche des ersten thermoelektrischen Messwandlers (12) zumindest ein Abschnitt der Oberfläche von zumindest dem intrinsischen Halbleiterteil (12c) mit einem ersten Abschnitt der Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt steht, und wobei von der Oberfläche des zweiten thermoelektrischen Messwandlers (12) zumindest ein Abschnitt der Oberfläche von zumindest dem intrinsischen Halbleiterteil (12c) mit einem zweiten Abschnitt der Wärme zuführenden Oberfläche, der vom ersten Abschnitt verschieden ist, in Kontakt steht.
Leistungsgenerator (10; 30; 40; 50; 60) für ein Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei die Elektrode (16; 44; 66) einen Endabschnitt (12ae) des n-dotierten Halbleiterteils (12a) des ersten thermoelektrischen Messwandlers (12) auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil (12c) entgegengesetzt ist, und einen Endabschnitt (12be) des p-dotierten Halbleiterteils (12b) des zweiten thermoelektrischen Messwandlers (12) auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil (12c) entgegengesetzt ist, miteinander verbindet.
Leistungsgenerator (110) für ein Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei die Elektrode (112; 114) aufweist: eine positive Elektrode (112), die einen Endabschnitt (12ae) des n-dotierten Halbleiterteils (12a) des ersten thermoelektrischen Messwandlers (12) auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil (12c) entgegengesetzt ist, und einen Endabschnitt (12ae) des n-dotierten Halbleiterteils (12a) des zweiten thermoelektrischen Messwandlers (12) auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil (12c) entgegengesetzt ist, miteinander verbindet; und eine negative Elektrode (114), die einen Endabschnitt (12be) des p-dotierten Halbleiterteils (12b) des ersten thermoelektrischen Messwandlers (12) auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil (12c) entgegengesetzt ist, und einen Endabschnitt (12be) des p-dotierten Halbleiterteils (12b) des zweiten thermoelektrischen Messwandlers (12) auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil (12c) entgegengesetzt ist, miteinander verbindet.
Leistungsgenerator (40; 50; 60; 70; 110) für ein Fahrzeug nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Leistungsgenerator (40; 50; 60; 70; 110) so gestaltet ist, dass ein Wärmefluss von der Wärme zuführenden Oberfläche, der an einer Oberfläche der Elektrode (44; 66; 112, 114) auf einer Seite der Wärme zuführenden Oberfläche empfangen wird, schwächer ist als ein Wärmefluss von der Wärme zuführenden Oberfläche, der an einer Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils (12c) sowohl des ersten thermoelektrischen Messwandlers (12) als auch des zweiten thermoelektrischen Messwandlers (12) empfangen wird.
Leistungsgenerator (40; 60; 110) für ein Fahrzeug nach Anspruch 5, wobei die Elektrode (44; 66; 112, 114) so installiert ist, dass sie der Wärme zuführenden Oberfläche zugewandt ist, wobei eine Luftschicht (46; 68; 116) dort dazwischen angeordnet ist.
Leistungsgenerator (50; 70) für ein Fahrzeug nach Anspruch 5, ferner einen Wärmeisolator (52; 72) aufweisend, der zwischen der Oberfläche der Elektrode (44; 66) und der Wärme zuführenden Oberfläche angeordnet ist.
Leistungsgenerator (80) für ein Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner einen Wärmeisolator (84) aufweisend, der zwischen der Wärme zuführenden Oberfläche und einem Endabschnitt (12ae) des n-dotierten Halbleiterteils (12a) des thermoelektrischen Messwandlers (12) auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil (12c) entgegengesetzt ist, oder einem Endabschnitt (12be) des p-dotierten Halbleiterteils (12b) des thermoelektrischen Messwandlers (12) auf einer Seite, die dem intrinsischen Halbleiterteil (12c) entgegengesetzt ist, installiert ist.
Leistungsgenerator (30; 60) für ein Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der thermoelektrische Messwandler (12) eine Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern (12) beinhaltet, wobei der Leistungsgenerator (30; 60) die Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern (12) in Form eines thermoelektrischen Messwandlermoduls (32; 62) beinhaltet, wobei das thermoelektrische Messwandlermodul (32; 62) einen Messwandlerstapel (14; 64), der von der Mehrzahl von elektrisch miteinander verbundenen thermoelektrischen Messwandlern (12) gebildet wird, und ein Gehäuse (32a), in dem der Messwandlerstapel (14; 64) untergebracht ist, beinhaltetet, wobei das Gehäuse (32a) als das Zwischenelement dient oder das Gehäuse (32a) und ein Isolierelement (18), das zwischen dem Gehäuse (32a) und der Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern (12) angeordnet ist, als Zwischenelement dienen, und wobei die Wärme zuführende Oberfläche für zumindest einige von der Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern (12), aus denen der Messwandlerstapel (14; 64) besteht, eine Innenfläche des Gehäuses (32a) oder eine Oberfläche des Isolierelements (18) auf einer Seite der Mehrzahl von thermoelektrischen Messwandlern (12) ist.
Leistungsgenerator (30; 60) für ein Fahrzeug nach Anspruch 9, wobei das thermoelektrische Messwandlermodul (32; 62) solchermaßen installiert ist, dass eine Außenfläche des Gehäuses (32a), die der Innenfläche des Gehäuses (32a) entgegengesetzt ist, mit der Oberfläche des Wärmelieferanten in Kontakt steht.
Leistungsgenerator (30; 60) für ein Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Wärme zuführenden Oberflächen eine erste Wärme zuführende Oberfläche und eine zweite Wärme zuführende Oberfläche beinhalten, und wobei von der Oberfläche des thermoelektrischen Messwandlers (12) ein erster Abschnitt der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils (12c) mit der ersten Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt steht und ein zweiter Abschnitt der Oberfläche des intrinsischen Halbleiterteils (12c) mit der zweiten Wärme zuführenden Oberfläche in Kontakt steht.
Leistungsgenerator (120) für ein Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Wärmelieferant eine Mehrzahl von Wärmelieferanten (122, 124) beinhaltet, und wobei von der Oberfläche des thermoelektrischen Messwandlers (12) zumindest ein Abschnitt der Oberfläche von zumindest dem intrinsischen Halbleiterteil (12c) mit der Wärme zuführenden Oberfläche von jeder von der Mehrzahl von Wärmelieferanten (122, 124) in Kontakt steht.
Leistungsgenerator (10; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110) für ein Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Wärmelieferant ein Abgasrohr (2; 82; 92) eines im Fahrzeug eingebauten Verbrennungsmotors (1) ist.
Leistungsgenerator (120) für ein Fahrzeug nach Anspruch 12, wobei einer von der Mehrzahl von Wärmelieferanten ein Abgasrohr eines im Fahrzeug eingebauten Verbrennungsmotors (1) ist.