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Für die Anmeldung wird die Priorität der am 26. Juni 2018 eingereichten
koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2018-0073364 beansprucht, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin einbezogen ist.
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Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Umwandlungsmodul und ein Fahrzeug mit demselben.
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Ein thermoelektrisches Modul wird für ein thermoelektrisches Stromerzeugungssystem mittels eines Seebeck-Effektes verwendet, bei dem eine elektromotorische Kraft durch eine Temperaturdifferenz zwischen gegenüberliegenden Flächen davon erzeugt wird.
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Während der thermoelektrischen Stromerzeugung durch das thermoelektrische Modul kann eine Leistung der thermoelektrischen Stromerzeugung erhöht werden, indem eine Temperaturdifferenz zwischen einem Hochtemperaturabschnitt und einem Niedrigtemperaturabschnitt auf einem großen Wert gehalten wird. Als solches beeinflusst eine Wärmeübertragungsrate von einer Wärmequelle zu einem thermoelektrischen Modul erheblich die Leistung der Stromerzeugung.
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Ein Beispiel eines Gebietes, das eine thermoelektrische Stromerzeugung durch das thermoelektrische Modul verwendet, kann die Nutzung von Abwärme eines Abgassystems eines Fahrzeuges als ein repräsentatives Beispiel umfassen.
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Da das herkömmliche thermoelektrische Modul Verbindungselemente des thermoelektrischen Moduls, wie ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial und Elektroden, aufweisen kann, hat es eine schlechte Haltbarkeit, und da es in einem Abgassystem eines Fahrzeuges derart angeordnet ist, dass es Wärme und Vibration ausgesetzt ist, kann die Verbindungsfläche davon getrennt werden, so dass sich die Stromerzeugungsleistung des thermoelektrischen Moduls verschlechtern kann oder eine Stromerzeugung unmöglich sein kann.
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Um das Problem zu lösen, ist eine verbesserte Struktur zur Erhöhung der Haltbarkeit des thermoelektrischen Moduls erforderlich.
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Mit der Erfindung wird ein thermoelektrisches Modul geschaffen, bei dem die Haltbarkeit durch Verbesserung eines thermoelektrischen Umwandlungsmaterials und einer Kupplungsstruktur von Elektroden erhöht wird und gleichzeitig eine Struktur zur Aufrechterhaltung oder Verbesserung einer Stromerzeugungsleistung des thermoelektrischen Moduls vorgesehen ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein thermoelektrisches Umwandlungsmodul (bzw. Konversionsmodul) vorgesehen, aufweisend eine Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des n-Typs und eine Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des p-Typs, die abwechselnd (bzw. wechselweise) angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Elektroden, welche die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien, die abwechselnd angeordnet sind, an einer Seite und an einer entgegengesetzten Seite abwechselnd miteinander verbinden.
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Die Mehrzahl von Elektroden können eine hochtemperaturseitige Elektrode aufweisen, die das korrespondierende thermoelektrische Umwandlungsmaterial des n-Typs und das korrespondierende thermoelektrische Umwandlungsmaterial des p-Typs elektrisch miteinander verbindet, um Wärme, die von einer Wärmequelle erlangt wird, an die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien zu übertragen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeug vorgesehen, aufweisend ein thermoelektrisches Umwandlungsmodul, das an (bzw. in) einem Abgasrohr angeordnet ist, durch welches Abgas hindurchströmt, um elektrischen Strom (bzw. elektrische Leistung) mittels Wärme des Abgases zu erzeugen, wobei das thermoelektrische Umwandlungsmodul eine Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des n-Typs und eine Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des p-Typs, die abwechselnd angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Elektroden aufweisen kann, welche die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien, die abwechselnd angeordnet sind, an Hochtemperaturseiten und Niedrigtemperaturseiten der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien abwechselnd miteinander verbinden.
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Die Mehrzahl von Elektroden können eine hochtemperaturseitige Elektrode aufweisen, die derart konfiguriert ist, dass sie das korrespondierende thermoelektrische Umwandlungsmaterial des n-Typs und das korrespondierende thermoelektrische Umwandlungsmaterial des p-Typs elektrisch miteinander verbindet, um Wärme, die von einer Wärmequelle erlangt wird, an die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien zu übertragen.
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Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine konzeptionelle Ansicht eines thermoelektrischen Umwandlungsmoduls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine perspektivische Ansicht einiger Konfigurationen des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls aus 1;
- 3 eine Ansicht, welche die Bewegung von Wärme in dem thermoelektrischen Umwandlungsmodul aus 1 darstellt;
- 4 eine Ansicht, welche die Bewegung von Wärme und Elektronen in dem thermoelektrischen Umwandlungsmodul aus 1 darstellt;
- 5 eine Ansicht einer Elektrode eines thermoelektrischen Umwandlungsmoduls gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung; und
- 6 eine konzeptionelle Ansicht eines thermoelektrischen Umwandlungsmoduls gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
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Es versteht sich, dass die angehängten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener Eigenschaften darstellen, welche die grundlegenden Prinzipien der Erfindung aufzeigen. Die speziellen Gestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, die zum Beispiel spezielle Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen umfassen, wie sie hierin offenbart sind, werden teilweise durch die jeweils beabsichtigte Anwendung und Nutzungsumgebung bestimmt.
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In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf dieselben oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung durch die einzelnen Figuren der Zeichnung hinweg.
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Nachfolgend wird nun auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und nachstehend beschrieben sind. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben ist, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu bestimmt ist, die Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil ist die Erfindung dazu bestimmt, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen abzudecken, welche im Geist und Bereich der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, enthalten sein können.
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Nachfolgend werden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. Durch die Beschreibung hinweg wird angemerkt, dass dieselben oder gleichen Bezugszeichen dieselben oder gleiche Komponenten bezeichnen, selbst wenn sie in unterschiedlichen Zeichnungen vorgesehen sind. Darüber hinaus wird in der folgenden Beschreibung der Erfindung eine ausführliche Beschreibung von bekannten Funktionen und Konfigurationen, die hierin einbezogen sind, weggelassen, wenn es den Gegenstand der Erfindung eher unklar macht.
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1 ist eine konzeptionelle Ansicht eines thermoelektrischen Umwandlungsmoduls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
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Ein thermoelektrisches Umwandlungsmodul 10 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist eine Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des n-Typs 110 und eine Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des p-Typs 120, die abwechselnd angeordnet sind, sowie eine Mehrzahl von Elektroden 130 auf, die abwechselnd die Mehrzahl von wechselweise angeordneten thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien an einer Hochtemperaturseite und einer Niedrigtemperaturseite davon verbinden.
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Die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des n-Typs 110 können Halbleitervorrichtungen des n-Typs aufweisen.
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Die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialen des p-Typs 120 können Halbleitervorrichtungen des p-Typs aufweisen.
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Die Mehrzahl von Elektroden können derart konfiguriert sein, dass sie die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des n-Typs 110 und die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des p-Typs 120 in Reihe elektrisch miteinander verbinden.
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Die Mehrzahl von Elektroden 130 können eine hochtemperaturseitige Elektrode 131, die untere Endabschnitte (oder hochtemperaturseitige Endabschnitte) der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des n-Typs 110 und untere Endabschnitte (oder hochtemperaturseitige Endabschnitte) der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des p-Typs 120 elektrisch miteinander verbindet, und eine niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 aufweisen, die obere Endabschnitte (oder niedrigtemperaturseitige Endabschnitte) der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des n-Typs 110 und obere Endabschnitte (oder niedrigtemperaturseitige Endabschnitte) der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des p-Typs 120 elektrisch miteinander verbindet.
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Indessen ist es vorteilhafter, wenn eine Temperaturdifferenz der Hochtemperaturteile und der Niedrigtemperaturteile der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien größer ist, um die Stromerzeugungsleistung des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 10 zu verbessern. Zum Beispiel kann das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 verwendet werden, um die Last der Batterie des Fahrzeuges durch Rückgewinnung von Wärme des Abgases des Fahrzeuges zu reduzieren. Das thermoelektrische Umwandlungsmodul, das in dem Abgassystem des Fahrzeuges angeordnet ist, ist leicht Wärme oder Vibration ausgesetzt. Da die Schweißung der Konfigurationen des herkömmlichen thermoelektrischen Umwandlungsmoduls nicht stabil ist, und insbesondere die Schweißung der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien und der Elektroden durch Wärme oder Vibration leicht getrennt werden kann, verschlechtert sich die Haltbarkeit des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls, und dementsprechend verschlechtert sich die Stromerzeugungsleistung des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls.
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Das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 gemäß der beispielhaften Ausführungsform ist vorgesehen, um die oben genannten Probleme zu lösen, und die Erfindung betrifft eine Struktur zur Verbesserung der Haltbarkeit des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls. Detaillierter ist das grundlegende Merkmal der Erfindung, dass das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung thermoelektrische Umwandlungsmaterialien 110 und 120 und Elektroden aufweist, die durch die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 hindurchtreten, um die Kupplung der Elektroden 130 stabil zu machen.
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Die Mehrzahl von Elektroden können durch die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des n-Typs 110 und die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des p-Typs 120 hindurchtreten.
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Die Elektroden, die durch die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 hindurchtreten, können eine hochtemperaturseitige Elektrode 131 oder eine niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 sein. Alternativ können die Elektroden, die durch die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 hindurchtreten, sowohl eine hochtemperaturseitige Elektrode 131 als auch eine niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 sein.
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Obwohl unten als ein Beispiel beschrieben wird, dass die hochtemperaturseitige Elektrode 131 durch die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 hindurchtritt, ist für einen technisch versierten Fachmann ebenso eine Konfiguration verständlich, bei welcher die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 in demselben oder äquivalenten Schema durch die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 hindurchtritt.
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Das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung kann in einem Abgassystem des Fahrzeuges angeordnet sein, um die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeuges durch Erzeugen von elektrischem Strom mittels Wärme des Abgases zu verbessern. Das heißt, das thermoelektrische Umwandlungsmodul nimmt Wärme von dem Abgassystem auf, durch welches Abgas hindurchströmt, und der Niedrigtemperaturabschnitt des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls führt Wärme an eine Kältemittelleitung ab, durch welche ein Kältemittel hindurchströmt.
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Hier sind, obwohl ein Fahrzeug, das einen Verbrennungsmotor aufweist und Abgas abführt, repräsentativ als Beispiel dient, andere Fahrzeuge möglich, die eine Abführöffnung aufweisen, durch welche hindurch ein Fluid mit hoher Temperatur abgeführt wird, und es versteht sich für einen technisch versierten Fachmann, dass das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in dem Abgassystem des Fahrzeuges angeordnet sein kann, um elektrischen Strom zu erzeugen.
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Indessen wird, da die anderen Konfigurationen des Fahrzeuges, wie eine Antriebsvorrichtung, Räder und eine Betätigungsvorrichtung, wohlbekannt sind, eine Beschreibung davon weggelassen.
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Die Merkmale des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 10 gemäß der beispielhaften Ausführungsform werden nachfolgend ausführlicher beschrieben.
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2 ist eine perspektivische Ansicht einiger Konfigurationen des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls aus 1. 3 ist eine Ansicht, welche die Bewegung von Wärme in dem thermoelektrischen Umwandlungsmodul aus 1 darstellt. 4 ist eine Ansicht, welche die Bewegung von Wärme und Elektronen in dem thermoelektrischen Umwandlungsmodul aus 1 darstellt.
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Mit Bezug auf 1 kann die hochtemperaturseitige Elektrode 131 durch die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des n-Typs 110 und die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien des p-Typs 120 hindurchtreten, die benachbart zu der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 sind.
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Die hochtemperaturseitige Elektrode 131 kann von einem Bandtyp oder einem Drahttyp sein.
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Die hochtemperaturseitige Elektrode 131 kann einen thermoelektrischen Abschnitt 1311, welcher in eine Durchgangsöffnung 20h eingesetzt ist, die in einem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 ausgebildet ist, und einen durchgehenden Abschnitt 1312 aufweisen, der durch die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 hindurchtritt. Dadurch kann die von einem Wärmeübertragungsfluid 21 absorbierte Wärme entlang der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 linear bewegt werden und den thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 112 zugeführt werden.
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Der thermoelektrische Abschnitt 1311 einer anderen hochtemperaturseitigen Elektrode 131 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann in Richtung zu dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 in Bezug auf die hochtemperaturseitigen Endabschnitte der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 derart vorstehen, dass er in die Durchgangsöffnung 20h eingesetzt ist, die in dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 ausgebildet ist, durch welches das Wärmeübertragungsfluid 21 hindurchströmt, um Wärme zu erlangen, während er das Wärmeübertragungsfluid 21 direkt kontaktiert, und um die erlangte Wärme der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 zuzuführen.
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Eine Isolierschicht 23 zur Isolation von der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 kann an einer Innenfläche der Durchgangsöffnung 20h vorgesehen sein. Wenn das Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 aus einem Leiter, wie Metall, geformt ist, kann sich, da ein elektrischer Strom zwischen der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 und dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 fließt, wenn das Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 die hochtemperaturseitige Elektrode 131 kontaktiert, die Leistung des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls verschlechtern. Um dies zu verhindern, kann die Isolierschicht 23 an einem Abschnitt einer Innenfläche der Durchgangsöffnung 20h vorgesehen sein, welcher die hochtemperaturseitige Elektrode 131 kontaktiert.
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Indessen kann, obwohl nicht gezeigt, ein Abschnitt der hochtemperaturseitigen Elektrode 131, welcher das Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 kontaktiert, isolationsbeschichtet sein. Jedoch ist, wenn ein gesamter Abschnitt der hochtemperaturseitigen Elektrode 131, welcher in das Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 eingesetzt ist, isolationsbeschichtet ist, da die Wärmeübertragung von dem Wärmeübertragungsfluid 21 an die hochtemperaturseitige Elektrode 131 abnehmen kann, die Isolationsbeschichtung auf einen Abschnitt begrenzt, der das Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 kontaktiert (in dem vorliegenden Fall kann eine Spanne von einer bestimmten Länge unter Berücksichtigung eines Toleranz vorgesehen sein).
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Die hochtemperaturseitige Elektrode 131 kann einen durchgehenden Abschnitt 1312, der sich vorwärts und rückwärts erstreckt, und einen thermoelektrischen Abschnitt 1311 aufweisen, der sich aufwärts und abwärts erstreckt. Die hochtemperaturseitige Elektrode 131 kann derart ausgebildet sein, dass ein Verbindungsabschnitt des thermoelektrischen Abschnitts 1311 und des durchgehenden Abschnitts 1312 gekrümmt oder gebogen ist.
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Eine Ecke eines Abschnitts der hochtemperaturseitigen Elektrode 131, an welcher der thermoelektrische Abschnitt 1311 und der durchgehende Abschnitt 1312 miteinander verbunden sind, kann abgerundet sein, um zu verhindern, dass Wärmespannungen konzentriert werden, so dass eine Eigenschaft der Hochtemperaturelektrode 131 nicht verändert wird oder die hochtemperaturseitige Elektrode 131 nicht beschädigt wird.
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Die hochtemperaturseitige Elektrode 131 kann derart konfiguriert sein, dass der thermoelektrische Abschnitt 1311 in einem bestimmten Abstand von den thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 angeordnet ist, um zu verhindern, dass der thermoelektrische Abschnitt 1311 die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 112 kontaktiert. Gemäß der Konfiguration kann die Leitung von Wärme von dem thermoelektrischen Abschnitt 1311 direkt an die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 verhindert werden, und eine Wärmeübertragung von dem thermoelektrischen Abschnitt 1311 über den durchgehenden Abschnitt 1312 an die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 kann ermöglicht werden.
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Ein thermoelektrischer Abschnitt 1311 einer anderen hochtemperaturseitigen Elektrode 131 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann von einem Plattentyp sein und eine Form haben, die sich lang aufwärts und abwärts erstreckt. Wenn die Elektrode gekrümmt oder gebogen ist, werden Wärmespannungen relativ an dem gekrümmten oder gebogenen Abschnitt konzentriert, so dass die Elektrode bei einer relativ niedrigen Temperatur beschädigt werden kann, und der thermoelektrische Abschnitt 1311 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 gemäß der beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich lang aufwärts und abwärts bei einem Plattentyp und kann seine Eigenschaften sogar bei einer relativ hohen Temperatur beibehalten.
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Die hochtemperaturseitige Elektrode 131 kann aus einem Material geformt sein, dessen Eigenschaften sich infolge von Oxidation oder dergleichen nicht ändern, selbst wenn die hochtemperaturseitige Elektrode 131 direkt das Abgas kontaktiert.
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Zum Beispiel kann die hochtemperaturseitige Elektrode 131 aus einem oxidbasierten thermoelektrischen Umwandlungsmaterial geformt sein. Da das oxidbasierte thermoelektrische Umwandlungsmaterial eine ausgezeichnete thermische oder elektrische Leitfähigkeit hat und stabil gegen Oxidation bei einer hohen Temperatur ist, kann es für das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 der beispielhaften Ausführungsform angewendet werden, die ein Schema der direkten Kontaktierung von Abgas verwendet.
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Mit Bezug auf 2 kann der thermoelektrische Abschnitt 1311 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 eine Plattenform haben, die sich vorwärts und rückwärts davon erstreckt. Dadurch kann, wenn der thermoelektrische Abschnitt 1311 in das Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 eingesetzt ist, ein Strömungswiderstand, der auf das Wärmeübertragungsfluid 21 ausgeübt wird, reduziert werden.
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Obwohl nicht gezeigt, kann, um einen Strömungswiderstand auf das Wärmeübertragungsfluid 21 zu reduzieren, eine Durchgangsöffnung in einem Abschnitt der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 ausgebildet sein, welcher in das Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 eingesetzt ist.
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Zum Beispiel kann eine Fläche des thermoelektrischen Abschnitts 1311 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131, welche einer Strömungsrichtung des Wärmeübertragungsfluids 21 zugewandt ist, eine bestimmte Dicke haben. Der thermoelektrische Abschnitt 1311 kann eine Durchgangsöffnung in einer Fläche des thermoelektrischen Abschnitts 1311 haben, welche der Strömungsrichtung des Wärmeübertragungsfluids 21 zugewandt ist.
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Eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen können in der Hochtemperaturelektrode 131 vertikal und horizontal ausgebildet sein. Die Durchgangsöffnungen können eine Kreisform oder andere verschiedene Formen haben.
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Dadurch kann ein Strömungswiderstand, der auf das Wärmeübertragungsfluid 21 ausgeübt wird, durch die hochtemperaturseitige Elektrode 131, die in das Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 eingesetzt ist, reduziert werden, und Wärme kann effizient von dem Wärmeübertragungsfluid 21 an die hochtemperaturseitige Elektrode 131 übertragen werden. Das heißt, da das Wärmeübertragungsfluid 21 sanft strömt, kann die hochtemperaturseitige Elektrode 131 effizient Wärme von dem Wärmeübertragungsfluid 21 mit hoher Temperatur aufnehmen, die von einer Oberseite des Hochtemperaturdurchgangsrohres 20 eingeführt wird.
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Die hochtemperaturseitige Elektrode 131 kann die Wärme, die von einer Wärmequelle über den thermoelektrischen Abschnitt 1311 erlangt wird, über den durchgehenden Abschnitt 1312 an die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 übertragen. Die hochtemperaturseitige Elektrode 131 kann einen durchgehenden Abschnitt 1312 aufweisen, der durch ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial des n-Typs 110 und ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial des p-Typs 120 hindurchtritt, die benachbart zueinander sind, um einen radialen Wärmegradienten in der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 zu bilden.
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3 ist eine Ansicht, die durch Betrachtung einiger Konfigurationen des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls aus 2 von der Vorderseite davon erlangt wird.
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Mit Bezug auf 3 kann ein Wärmefluss fl1, der über den thermoelektrischen Abschnitt 1311 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 übertragen wird, über den durchgehenden Abschnitt 1312 an das thermoelektrische Umwandlungsmaterial 110 übertragen werden. Da die durchgehenden Abschnitte 1312 in die Mitte der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 eingesetzt sind, wird die Wärme, die an das Innere des thermoelektrischen Umwandlungsmaterials 110 übertragen wird, in Bezug auf den durchgehenden Abschnitt 1312 radial übertragen, wie in dem Wärmefluss fl1 von 3 gezeigt ist.
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Obwohl nicht gezeigt, kann in einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die hochtemperaturseitige Elektrode 131 derart konfiguriert sein, dass sie die Wärme indirekt über ein Abgassystem anstatt über ein Schema der direkten Absorption von Wärme mit Abgas aufnimmt.
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Zum Beispiel kann der thermoelektrische Abschnitt 1311 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 mit einer Außenumfangsfläche des Hochtemperaturdurchgangsrohres 20 verbunden sein, um Wärme von dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 aufzunehmen. Als solches kann eine Isolierschicht zwischen dem thermoelektrischen Abschnitt 1311 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 und dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 vorgesehen sein, um eine elektrische Verbindung des thermoelektrischen Abschnitts 1311 und des Hochtemperaturdurchgangsrohres 20 miteinander zu verhindern.
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Die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 kann ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial des n-Typs 110 und ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial des p-Typs 120, die benachbart zueinander sind und über die hochtemperaturseitige Elektrode 131 nicht miteinander verbunden sind, elektrisch miteinander verbinden.
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Die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 kann Wärme mit einem Niedrigtemperaturdurchgangsrohr 30 tauschen, durch welches ein Kühlmittel 31 hindurchströmt, und kann Wärmeenergie in den thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 an das Kühlmittel 31 abführen.
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Die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 kann Wärme mit einem Kühlmantel 150 tauschen und Wärmeenergie in den thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 über den Kühlmantel 150 an das Kühlmittel 31 abführen.
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Die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 kann ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial des n-Typs 110 und ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial des p-Typs 120, die benachbart zueinander sind und über die hochtemperaturseitige Elektrode 131 nicht miteinander verbunden sind, elektrisch miteinander verbinden. Die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 kann wenigstens drei Flächen des thermoelektrischen Umwandlungsmaterials des n-Typs 110 und wenigstens drei Flächen des thermoelektrischen Umwandlungsmaterials des p-Typs 120 kontaktieren.
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Mit Bezug auf 2 kann die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 eine obere Platte 1321 der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132, welche eine obere Fläche der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 abdeckt, und eine Seitenflächenplatte 1322 der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 aufweisen, welche eine Seitenfläche der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 abdeckt. Das heißt, die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 kann eine obere Fläche, eine linke Fläche und eine rechte Fläche der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120, durch welche die hochtemperaturseitige Elektrode 131 hindurchtritt und an welchen der niedrigtemperaturseitige Endabschnitt der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 angeordnet ist, mit Ausnahme einer vorderen Fläche und einer hinteren Fläche des thermoelektrischen Umwandlungsmaterials 110 und 120 abdecken.
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Von der Vorderseite betrachtet kann die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 eine mit den thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 korrespondierende Form derart haben, dass nicht weniger als eine Hälfte der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 einen Umfang der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 kontaktiert.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 eine rechteckige Parallelepipedform haben. Dementsprechend kann die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 eine pi(π)-Form derart haben, dass sie mit der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 korrespondiert. Das heißt, die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 kann eine obere Platte 1321 und ein Paar Seitenflächenplatten 1322 aufweisen, um eine obere Fläche, eine linke Fläche und eine rechte Fläche jedes von der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 zu kontaktieren.
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Die obere Platte 1321 der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 kann eine obere Fläche jedes der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 abdecken. Die obere Platte 1321 der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 kann eine bestimmte Länge und eine bestimmte Breite haben, um eine obere Fläche jedes der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 abzudecken.
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Die Seitenflächenplatte 1322 der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 kann wenigstens einen Abschnitt einer Seitenfläche jedes der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 abdecken. Die Seitenflächenplatte 1322 der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 kann eine bestimmte Länge und eine bestimmte Breite haben, um eine Seitenfläche jedes der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 abzudecken.
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Dadurch tauscht die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 Wärme mit der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 an wenigstens drei Flächen davon und kann die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 kühlen.
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Darüber hinaus ist im Vergleich zu dem Fall, in welchem die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 nur irgendeine Fläche (zum Beispiel eine obere Fläche) der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 kontaktiert, eine Kupplungsfläche der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 und der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 groß, und da die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 mit der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 gekuppelt ist, während sie eine Form hat, die mit der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 korrespondiert, kann eine Kupplungskraft der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 und der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 verbessert werden. Dementsprechend kann die Haltbarkeit des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 10 verbessert werden, und es kann verhindert werden, dass die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 und die Elektrode getrennt werden, so dass eine Verringerung der Stromerzeugungsleistung verhindert werden kann, selbst wenn das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 für eine lange Zeit verwendet wird.
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Darüber hinaus können, da die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 eine Form hat, welche die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 umgibt, die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 wirksam vor einem äußeren Aufprall, Fremdkörpern oder dergleichen geschützt werden.
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Obwohl nicht gezeigt, kann in einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die niedrigtemperaturseitige Elektrode von einem Plattentyp derart sein, dass sie nur die oberen Flächen der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien kontaktiert. In dem vorliegenden Fall können im Vergleich zu der pi(π)-Form die Verschweißungsflächen der niedrigtemperaturseitigen Elektrode mit den thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien reduziert werden. Jedoch kann in Anbetracht eines Kosten-Leistungs-Effektes zum Beispiel in dem Falle, in welchem sich Elektronen oder Defektelektronen in dem Inneren der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien vor allem zu der Oberseite bewegen, die niedrigtemperaturseitige Elektrode derart konfiguriert sein, dass sie eine Fläche jedes der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien kontaktiert. Die niedrigtemperaturseitige Elektrode kann eine pi(π)-Form, eine Plattenform oder andere Formen unter Berücksichtigung des Innenraumes und der Haltbarkeit des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls und der Eigenschaften der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien haben.
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Mit Bezug auf 1 kann das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 ferner Isolierschichten 140 aufweisen, die zwischen der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien und der Wärmequelle vorgesehen sind, um die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien zu isolieren.
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Die Isolierschichten 140 können zwischen den thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 und dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 angeordnet sein, um die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 elektrisch und thermisch zu isolieren. Dadurch sind die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 nur über die Elektroden 130 elektrisch miteinander verbunden, und die Wärmegradienten können in dem Inneren der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 durch Wärmeaustausch der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 und der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 gebildet werden.
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Mit Bezug auf 1 kann das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 ferner einen Kühlmantel 150 aufweisen. Um die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 zu kühlen, kann der Kühlmantel 150 wenigstens drei Flächen der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 kontaktieren.
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Der Kühlmantel 150 kann aus einem wärmeleitenden Material für den Wärmeaustausch der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 mit dem Niedrigtemperaturdurchgangsrohr 30 geformt sein.
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Der Kühlmantel 150 kann die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 an einer Seite davon kontaktieren und das Niedrigtemperaturdurchgangsrohr 30 an einer entgegengesetzten Seite davon kontaktieren.
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Der Kühlmantel 150 kann eine Form haben, die mit der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 korrespondiert, um eine Kontaktfläche mit der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 zu erweitern. Das heißt, der Kühlmantel 150 kann eine obere Platte und Seitenflächenplatten derart aufweisen, dass er mit der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 korrespondiert, welche die obere Platte 1321 und die Seitenflächenplatten 1322 aufweist.
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Mit Bezug auf 3 kann der Kühlmantel 150 eine pi(π)-Form derart haben, dass er mit der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 korrespondiert, welche eine pi(π)-Form hat. Dadurch kann der Kühlmantel 150 wirksam die Wärmeenergie von der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 durch Erweiterung einer Kontaktfläche mit der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 aufnehmen.
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Darüber hinaus sind im Vergleich zu dem Fall, in welchem der Kühlmantel 150 nur irgendeine Fläche (zum Beispiel eine obere Fläche) der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 kontaktiert, die Kupplungsflächen der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 und der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 groß, und eine Kupplungskraft der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 und des Kühlmantels 150 kann durch Kuppeln des Kühlmantels 150 und der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 verbessert werden, während der Kühlmantel 150 eine Form hat, die mit der niedrigtemperaturseitigen Elektrode 132 korrespondiert. Dementsprechend kann die Haltbarkeit des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 10 verbessert werden, und es kann verhindert werden, dass der Kühlmantel 150 und die Elektrode getrennt werden, so dass eine Verringerung der Stromerzeugungsleistung verhindert werden kann, selbst wenn das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 für eine lange Zeit verwendet wird.
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Darüber hinaus können, da der Kühlmantel 150 eine Form hat, welche die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 umgibt, die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 und die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 wirksam vor einem äußeren Stoß, Fremdkörpern oder dergleichen geschützt werden.
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Das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 kann ferner eine Dichtung aufweisen, die zwischen der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 und dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 angeordnet ist, um zu verhindern, dass ein inneres Fluid durch die Durchgangsöffnung hindurch leckt, die in dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 ausgebildet ist, durch welches das Wärmeübertragungsfluid 21 hindurchströmt.
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Die Dichtung kann Dichtungsdurchgangsöffnungen aufweisen, deren Anzahl mit der Anzahl der hochtemperaturseitigen Elektroden 131 korrespondiert, so dass die thermoelektrischen Abschnitte 1311 der hochtemperaturseitigen Elektroden 131 durch die Dichtungsdurchgangsöffnungen hindurchtreten. Die Dichtung kann die Dichtungsdurchgangsöffnungen aufweisen, die eine Form haben, die mit den Durchgangsöffnungen des Hochtemperaturdurchgangsrohres 20 korrespondiert, und an entsprechenden Stellen angeordnet sind.
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Die Dichtung kann zwischen der Isolierschicht 140 und dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 angeordnet sein. Zum Beispiel kann das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 derart konfiguriert sein, dass es eine Leckage des Wärmeübertragungsfluids 21 aus dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 verhindert und das Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 gleichzeitig durch Anbringen von Glaswolle zwischen der Dichtung und dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 isoliert.
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Das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 weist ferner ein Gehäuse 160 auf, das einen Innenraum definiert, in welchem die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120, die Mehrzahl von Elektroden 130 und dergleichen untergebracht sind, und schützt die Komponenten des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 10 vor einem äußeren Stoß oder Fremdkörpern.
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Das Gehäuse 160 kann eine rechteckige Parallelepipedform haben, bei welcher eine Fläche des Gehäuses 160, welche dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 zugewandt ist, geöffnet ist.
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Die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120, die Mehrzahl von Elektroden 130, die Isolierschicht 140 und der Kühlmantel 150 können an der Innenseite des Gehäuses 160 fixiert sein.
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Das Gehäuse 160 kann mit dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 und dem Niedrigtemperaturdurchgangsrohr 30 gekuppelt sein. Zum Beispiel kann das Gehäuse 160 mit dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 geglüht werden. Das Innere des Gehäuses 160 kann vakuumiert oder mit einem Inertgas gefüllt sein.
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Das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 kann mit einer Last 170 elektrisch verbunden sein, die elektrischen Strom verbraucht, der durch die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 erzeugt wird. Ein Strom 11, der durch das thermoelektrische Umwandlungsmodul 10 erzeugt wird, kann in der in 1 angezeigten Richtung fließen.
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Nachfolgend wird mit Bezug auf die 3 und 4 die Bewegung von Wärme und Elektronen in dem Inneren der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
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Mit Bezug auf 3 kann das thermoelektrische Umwandlungsmaterial 110 Wärmeenergie von dem durchgehenden Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 aufnehmen, welcher durch die Mitte des thermoelektrischen Umwandlungsmaterials 110 hindurchtritt. Die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 können Wärmeenergie zuführen, während sie die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 an der linken Seite, der rechten Seite und der oberen Seite davon kontaktieren. Das heißt, in dem Inneren des thermoelektrischen Umwandlungsmaterials 110 kann wie bei dem Wärmefluss fl1 von einem Mittelabschnitt des thermoelektrischen Umwandlungsmaterials 110, in welchen die hochtemperaturseitige Elektrode 131 eingesetzt ist und welcher die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 kontaktiert, Wärme in Richtung zu einem Umfang der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 radial geleitet werden.
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Mit Bezug auf 4 kann die Wärme, die durch den thermoelektrischen Abschnitt 1311 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 geleitet wird, über den durchgehenden Abschnitt 1312 und die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 an die niedrigtemperaturseitige Elektrode 132 übertragen werden.
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In dem thermoelektrischen Umwandlungsmaterial des n-Typs 110 können Elektronen in der Bewegungsrichtung der Wärme durch den Seebeck-Effekt bewegt werden. In dem thermoelektrischen Umwandlungsmaterial des p-Typs 120 können Defektelektronen mit positiven Ladungen in der Bewegungsrichtung der Wärme bewegt werden. Dadurch können Elektronen wie in dem Elektronenfluss fl2 von 4 bewegt werden.
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5 ist eine Ansicht, die eine Elektrode eines thermoelektrischen Umwandlungsmoduls gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung zeigt.
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Mit Bezug auf 5 können die Wärmegradienten des Inneren der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 entsprechend den Positionen und Formen der durchgehenden Abschnitte 1312 der hochtemperaturseitigen Elektroden 131 unterschiedlich sein.
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Um die Position des durchgehenden Abschnitts 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 für die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 zu verdeutlichen, ist definiert, dass die Position des niedrigtemperaturseitigen Abschnitts der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 x=0 ist, und die Position des hochtemperaturseitigen Endabschnitts der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 x=1,0 ist.
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Um die Form des durchgehenden Abschnitts 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 zu verdeutlichen, ist definiert, dass die Längslänge des durchgehenden Abschnitts 1312 a ist, und die Querlänge des durchgehenden Abschnitts 1312 b ist.
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Der durchgehende Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 ist in einer Position von x=0,5 angeordnet, ein Wärmegradient wird in Bezug auf den durchgehenden Abschnitt 1312 radial gebildet, und der Zuführpfad der Elektronen ist ebenfalls radial ausgebildet. In dem vorliegenden Fall kann die Bewegungsstrecke der Elektronen in dem Inneren der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 kürzer sein, als wenn die Position des durchgehenden Abschnitts 1312 x<0,5 ist.
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Wenn der durchgehende Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 in einer Position von x<0,5 angeordnet ist, wird der Wärmegradient, der in dem Inneren der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 gebildet wird, von der Unterseite (oder dem niedrigtemperaturseitigen Ende) zu der Oberseite (oder dem hochtemperaturseitigen Ende) der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 gebildet, und der Zuführpfad der Elektronen wird ebenfalls vor allem von der Unterseite zu der Oberseite davon gebildet. In dem vorliegenden Fall ist, wenn die Position des durchgehenden Abschnitts 1312 x=0,5 ist, die Geradlinigkeit der Elektronen besser.
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Wenn der Querschnitt des durchgehenden Abschnitts 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 b/a=1 ist, wird ein Wärmegradient in dem Inneren der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 derart gebildet, dass er nahe an einer Form ist, welche in Bezug auf den durchgehenden Abschnitt 1312 radial ist, und der Zuführpfad der Elektronen ist ebenfalls näher an einer radialen Form.
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Wenn der Querschnitt des durchgehenden Abschnitts 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 b/a>1 oder kreisförmig ist, wird ein Wärmegradient in dem Inneren der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 vor allem von der Unterseite zu der Oberseite gebildet, und der Zuführpfad der Elektronen wird ebenfalls vor allem von der Unterseite zu der Oberseite davon gebildet.
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Dementsprechend kann ein Abstand x zwischen dem durchgehenden Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 und den hochtemperaturseitigen Endabschnitten der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 basierend auf wenigstens irgendeiner der Eigenschaften der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 und einer von der Wärmequelle erlangten Wärmeeinheit (Kalorie) ermittelt werden.
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Darüber hinaus kann die Querschnittsform des durchgehenden Abschnitts 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 basierend auf wenigstens irgendeiner der Eigenschaften der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 und einer von der Wärmequelle erlangten Wärmeeinheit gebildet werden. Hier kann ein Querschnitt durch einen Querschnitt definiert sein, der durch Schneiden des durchgehenden Abschnitts 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 in einer Richtung (d.h. einer vertikalen Richtung) erlangt wird, welche senkrecht zu einer Richtung (d.h. einer Vorwärts/Rückwärts-Richtung) ist, entlang welcher sich der durchgehende Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 erstreckt.
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Zum Beispiel kann der durchgehende Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 derart vorgesehen sein, dass er näher an den Mitten der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 als an den hochtemperaturseitigen Endabschnitten oder den niedrigtemperaturseitigen Endabschnitten der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 ist, um eine Bewegungsstrecke der Elektronen in dem Inneren der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 zu minimieren, wenn ein bestimmter Widerstand der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 hoch ist. Das heißt, der durchgehende Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 kann derart angeordnet sein, dass er nahe an einer Position von x=0,5 ist.
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Zum Beispiel kann der durchgehende Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 derart vorgesehen sein, dass er näher an den hochtemperaturseitigen Endabschnitten der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 als an den niedrigtemperaturseitigen Endabschnitten der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 ist, so dass der Zuführpfad der Elektronen in dem Inneren der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 vertikal gebildet werden kann, wenn ein bestimmter Widerstand der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 gering ist. Das heißt, der durchgehende Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 kann in einer Position von x<0,5 angeordnet sein.
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Zum Beispiel kann der durchgehende Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 in oder näher an einer Position von x=0,5 angeordnet sein, wenn eine Wärmeeinheit, welche von der Wärmequelle (Abgas in einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung) bereitgestellt werden kann, ausreichend ist.
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Zum Beispiel kann der durchgehende Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 derart vorgesehen sein, dass er näher an den niedrigtemperaturseitigen Endabschnitten der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 als an den hochtemperaturseitigen Endabschnitten der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 ist, um die Wärme zu minimieren, welche verloren geht, bevor die von der Wärmequelle erlangte Wärme durch die hochtemperaturseitige Elektrode 131 an die Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 übertragen wird, wenn eine Wärmeeinheit, welche von der Wärmequelle bereitgestellt wird, nicht ausreichend ist. Das heißt, eine Strecke, über welche die von der Wärmequelle (Abgas) absorbierte Wärme geleitet wird, bis die Wärme an die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 übertragen wird, kann reduziert werden, um die Wärme zu reduzieren, welche verloren geht, während die Wärme entlang dem thermoelektrischen Abschnitt 1311 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 geleitet wird.
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Der durchgehende Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 kann derart ausgebildet sein, dass ein Verhältnis b/a der Längslänge a zu der Querlänge b des Querschnitts 0,8 bis 1,2 ist, um einen radialen Wärmegradienten in dem Inneren der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 zu bilden.
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Zum Beispiel kann der durchgehende Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 derart ausgebildet sein, dass ein Verhältnis b/a der Längslänge a zu der Querlänge b des Querschnitts 0,8 bis 1,2 ist, wenn er näher an den Mitten der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 als an den hochtemperaturseitigen Endabschnitten oder den niedrigtemperaturseitigen Endabschnitten der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 ist.
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Der durchgehende Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 kann derart ausgebildet sein, dass ein Verhältnis b/a der Längslänge a zu der Querlänge b des Querschnitts 2 bis 1,2 ist, um einen Wärmegradienten der hochtemperaturseitigen Endabschnitte zu den niedrigtemperaturseitigen Endabschnitten der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 in dem Inneren der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 zu bilden.
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Zum Beispiel kann der durchgehende Abschnitt 1312 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 derart ausgebildet sein, dass ein Verhältnis b/a der Längslänge a zu der Querlänge b des Querschnitts nicht kleiner als 2 ist, wenn er näher an den niedrigtemperaturseitigen Endabschnitten der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 als an den hochtemperaturseitigen Endabschnitten der Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien 110 und 120 ist.
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Das wie oben konfigurierte thermoelektrische Umwandlungsmodul kann ein herkömmliches Haltbarkeitsproblem des leichten Trennen einer Verbindung zwischen einem thermoelektrischen Umwandlungsmaterial und einer Elektrode lösen, indem eine Elektrode geschaffen wird, die durch ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial hindurchtritt.
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Darüber hinaus kann die Erfindung die Stromerzeugungsleistung des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls verbessern, während die verlorengehende Wärme minimiert wird, indem die Positionen und Formen der Elektroden, die durch die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien hindurchtreten, unter Berücksichtigung der Eigenschaften der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien und der Wärmeeinheit der Wärmequelle richtig gebildet werden.
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Darüber hinaus kann die Erfindung die Stromerzeugungsleistung des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls verbessern, indem ermöglicht wird, dass die hochtemperaturseitige Elektrode Wärme mit hoher Temperatur von der Wärmequelle (z.B. Abgas) aufnimmt, während sie direkt die Wärmequelle kontaktiert, um die Wärme an die Wärmeumwandlungsmaterialien zu übertragen, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen den Hochtemperaturseiten und den Niedrigtemperaturseiten der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien erhöht wird.
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Darüber hinaus kann die Erfindung die Kupplungskräfte der niedrigtemperaturseitigen Elektrode, des Kühlmantels und des thermoelektrischen Umwandlungsmaterials verbessern, was zu einer Verbesserung der Haltbarkeit des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls führt, indem die niedrigtemperaturseitige Elektrode und der Kühlmantel, die mit den thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien korrespondieren, derart gebildet werden, dass wenigstens ein Abschnitt der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien in dem Innenraum untergebracht sein kann.
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6 ist eine konzeptionelle Ansicht eines thermoelektrischen Umwandlungsmoduls gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
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Mit Bezug auf 6 kann im Gegensatz zu der oben genannten Ausführungsform in einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die hochtemperaturseitige Elektrode 131 eine Form haben, die nicht durch das Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 hindurchtritt.
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In dem vorliegenden Fall erstrecken sich die thermoelektrischen Abschnitte 1311 der hochtemperaturseitigen Elektrode 131 von entgegengesetzten Endabschnitten des durchgehenden Abschnitts 1312 in Richtung zu dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 und können derart konfiguriert sein, dass sie direkt oder indirekt das Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 kontaktieren.
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Eine Isolierschicht kann zwischen einem Endabschnitt des thermoelektrischen Abschnitts 1311 und dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 vorgesehen sein, um das Fließen eines elektrischen Stromes über das Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 zu begrenzen. Jedoch ermöglicht die Isolierschicht, dass Wärme von dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 an die hochtemperaturseitige Elektrode 131 gut übertragen werden kann.
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Ein Abschnitt des thermoelektrischen Abschnitts 1311, welcher das Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 kontaktiert, kann eine Kontaktfläche mit dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 erweitern.
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Zum Beispiel kann der thermoelektrische Abschnitt 1311 derart geformt sein, dass sich ein Endabschnitt des thermoelektrischen Abschnitts 1311, welcher nahe an dem Hochtemperaturdurchgangsrohr 20 ist, entlang einer Außenumfangsfläche des Hochtemperaturdurchgangsrohres 20 ausbreitet.
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Da das thermoelektrische Umwandlungsmodul, das in der vorliegenden Weise konfiguriert ist, nicht durch das Hochtemperaturdurchgangsrohr hindurch eingesetzt ist, kann verhindert werden, dass das Fluid in dem Inneren des Hochtemperaturdurchgangsrohres leckt, und das thermoelektrische Umwandlungsmodul kann in geeigneter Weise angeordnet werden.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können, da die Elektroden Wärme übertragen, während sie durch die thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien hindurchtreten und mit den thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien elektrisch verbunden sind, die Kupplungskräfte der Elektroden und der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien verbessert werden, und dadurch kann die Haltbarkeit des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls verbessert werden.
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Darüber hinaus können, da die Elektroden Wärme übertragen, während sie durch Mittelabschnitte der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien hindurchtreten, und radiale Wärmegradienten in dem Inneren der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien gebildet werden, die Bewegungsstrecken der Elektroden in dem Inneren der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialien reduziert werden, und die Stromerzeugungsleistung kann verbessert werden.
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Zur Vereinfachung der Erläuterung und genauen Definition in den beigefügten Ansprüchen werden die Begriffe „oben“, „unten“, „innen“, „außen“, „vorn“, „hinten“ usw. verwendet, um die Merkmale der beispielhaften Ausführungsformen in Bezug auf die Positionen dieser Merkmale, wie in den Figuren gezeigt, zu beschreiben.
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Bezugszeichenliste
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- 10:
- thermoelektrisches Umwandlungsmodul
- 11:
- Strom
- 20:
- Hochtemperaturdurchgangsrohr
- 20h:
- Durchgangsöffnung
- 21:
- Wärmeübertragungsfluid
- 23:
- Isolierschicht
- 30:
- Niedrigtemperaturdurchgangsrohr
- 31:
- Kältemittel
- 110:
- thermoelektrisches Umwandlungsmaterial des n-Typs
- 120:
- thermoelektrisches Umwandlungsmaterial des p-Typs
- 130:
- Mehrzahl von Elektroden
- 131:
- hochtemperaturseitige Elektrode
- 1311:
- thermoelektrischer Abschnitt
- 1312:
- Durchgangsabschnitt
- 132:
- niedrigtemperaturseitige Elektrode
- 1321:
- obere Platte
- 1322:
- Seitenflächenplatte
- 140:
- Isolierschichten
- 150:
- Kühlmantel
- 160:
- Gehäuse
- 170:
- Last
- f11, f12:
- Wärmefluss
- f13:
- Elektronenfluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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