DE102018130761A1

DE102018130761A1 - Thermoelectric conversion device and vehicle

Info

Publication number: DE102018130761A1
Application number: DE102018130761.6A
Authority: DE
Inventors: Joachim Fröschl; Matthias LINDE; Fabian Czuppa; Gabriele Fruhmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2020-06-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung (1) und ein Fahrzeug (22). Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung (1) weist ein erstes thermisches Kontaktierungselement (2) und ein dem ersten thermischen Kontaktierungselement (2) gegenüberliegendes, dem ersten Kontaktierungselement (2) zugewandtes, zweites thermisches Kontaktierungselement (3) auf, die jeweils direkt an wenigstens eine gemeinsame Elementanordnung (17) aus thermoelektrischen Elementen (18) angrenzen. Das jeweilige Kontaktierungselement (2,3) weist einen Basiskörper (4,5) und mehrere mit dem Basiskörper (4,5) verbundene, von dem Basiskörper (4,5) abstehende konvexe Strukturkörper (10) auf, wobei die konvexen Strukturkörper (10) voneinander beabstandet angeordnet sind, sodass sich zwischen jeweils zwei der Strukturkörper (10) ein jeweiliger Aufnahmebereich (16) ergibt und ein jeweiliger der konvexen Strukturkörper (10) eines der thermischen Kontaktierungselemente (2,3) in einen jeweiligen der Aufnahmebereiche (16) des entsprechenden anderen Kontaktierungselements (2,3) eingreift. Die thermoelektrische Elementanordnung (17) ist zwischen den konvexen Strukturkörpern (10) angeordnet.The invention relates to a thermoelectric conversion device (1) and a vehicle (22). The thermoelectric conversion device (1) has a first thermal contact element (2) and a second thermal contact element (3) opposite the first thermal contact element (2) and facing the first contact element (2), each directly connected to at least one common element arrangement ( 17) from thermoelectric elements (18). The respective contacting element (2, 3) has a base body (4, 5) and a plurality of convex structural bodies (10) connected to the base body (4, 5) and projecting from the base body (4, 5), the convex structural bodies (10 ) are arranged at a distance from each other, so that between two of the structural bodies (10) there is a respective receiving area (16) and a respective one of the convex structural bodies (10) one of the thermal contact elements (2, 3) into a respective one of the receiving areas (16) of the corresponding other contacting element (2,3) engages. The thermoelectric element arrangement (17) is arranged between the convex structural bodies (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung und ein Fahrzeug, das zumindest eine solche thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung aufweist.The invention relates to a thermoelectric conversion device and a vehicle having at least one such thermoelectric conversion device.

Bei dem thermoelektrischen Effekt, welcher auch als Seebeck-Effekt bekannt ist, handelt es sich um einen festkörperphysikalischen Effekt, der bei einer Temperaturdifferenz zwischen zwei Kontaktstellen unterschiedlicher elektrischer Leiter eines Stromkreises auftritt. Dabei wird zwischen den zwei Kontaktstellen eine elektrische Spannung hervorgerufen. Der thermoelektrische Effekt führt zu einer Umwandlung von thermischer in elektrische Energie, ohne dass ein thermodynamischer Kreisprozess durchlaufen wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass für eine Energieumwandlung durch eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung keine bewegten Teile notwendig sind. Zu den thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen werden thermoelektrische Generatoren gezählt, welche thermische in elektrische Energie umwandeln. Diese werden als stationäre Energiewandlersysteme verwendet, die einen Temperaturunterschied zwischen einer kalten und einer warmen Seite des thermoelektrischen Generators zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie nutzen. Serienanwendungen thermoelektrischer Generatoren sind beispielsweise aus der Raumfahrt bekannt (beispielsweise im Mars Rover Curiosity, NASA JPL).The thermoelectric effect, which is also known as the Seebeck effect, is a solid-state physical effect that occurs when there is a temperature difference between two contact points of different electrical conductors in a circuit. An electrical voltage is generated between the two contact points. The thermoelectric effect leads to a conversion from thermal to electrical energy without going through a thermodynamic cycle. This has the advantage that no moving parts are necessary for energy conversion by means of a thermoelectric conversion device. The thermoelectric conversion devices include thermoelectric generators which convert thermal into electrical energy. These are used as stationary energy converter systems that use a temperature difference between a cold and a warm side of the thermoelectric generator to convert thermal to electrical energy. Series applications of thermoelectric generators are known, for example, from space travel (for example in the Mars Rover Curiosity, NASA JPL).

Der umgekehrte Prozess ist als Peltier-Effekt bekannt und beschreibt die Ausbildung eines Temperaturunterschieds aufgrund einer Spannungsdifferenz in unterschiedlichen elektrischen Leitern. Der Peltier-Effekt wird in sogenannten Peltierelementen genutzt, um beispielsweise eine Kühlung, Erwärmung oder eine thermische Konditionierung von Komponenten, die mit dem Peltierelement verbunden sind, zu ermöglichen. Indem die thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen in ihrer Größe und ihrer genutzten Wandlungsfläche skalierbar sind, lassen sich je nach Anwendung spezifische Systeme in diversen Anwendungsgebieten (Anwendungen im mW- bis kW-Bereich) konzeptionieren.The reverse process is known as the Peltier effect and describes the formation of a temperature difference due to a voltage difference in different electrical conductors. The Peltier effect is used in so-called Peltier elements, for example to enable cooling, heating or thermal conditioning of components that are connected to the Peltier element. By scaling the size and the conversion area of the thermoelectric conversion devices, depending on the application, specific systems can be designed in various application areas (applications in the mW to kW range).

Bezogen auf ein Kraftfahrzeug sind thermoelektrische Umwandlungsvorrichtungen für die thermische Energierückgewinnung aus heißen Abgasen, beziehungsweise zur thermischen Vorkonditionierung von elektrischen Energiespeichern bei kalten Temperaturen denkbar.In relation to a motor vehicle, thermoelectric conversion devices for thermal energy recovery from hot exhaust gases or for the thermal preconditioning of electrical energy stores at cold temperatures are conceivable.

Eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung umfasst gewöhnlicherweise einen p- und einen n-dotierten Halbleiter, die ein thermoelektrisches Schenkelpaar bilden, das elektrisch miteinander verbunden ist. Die thermoelektrischen Materialien können zur Effizienzsteigerung auch entlang eines Temperaturgradienten so dotiert werden, dass die Thermokraft der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung maximiert werden kann. Da die Thermokraft der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung sich typischerweise in µV/K bewegt, müssen entsprechend viele Einheiten an Schenkelpaaren in Serie geschaltet werden, um das System nutzbar machen zu können.A thermoelectric conversion device usually comprises a p- and an n-doped semiconductor which form a thermoelectric leg pair which is electrically connected to one another. To increase efficiency, the thermoelectric materials can also be doped along a temperature gradient in such a way that the thermal force of the thermoelectric conversion device can be maximized. Since the thermal force of the thermoelectric conversion device typically moves in µV / K, a corresponding number of units of leg pairs must be connected in series in order to be able to use the system.

Die thermoelektrischen Materialien arbeiten nur in einem jeweiligen Temperaturbereich mit einer geforderten Effizienz. Daher benötigt man insbesondere für Hochtemperaturanwendungen Materialien, die durch Dotierung mit Seltenen Erden sehr kostenintensiv werden können. Hochtemperaturanwendungen bedingen gleichzeitig auch entsprechendes elektrisch leitendes Kontaktmaterial. Um die Effizienz des Systems maximieren zu können, muss die Wärmequelle wie auch die Wärmesenke einen innigen Kontakt zu der aktiven Fläche des Wärmewandlermaterials haben. Dies kann durch ein Verspann- oder Schraubsystem dargestellt werden, allerdings mit dem Nachteil einer deutlichen Gewichtserhöhung. Gerade konkave oder konvexe Anbindungsflächen verlangen einen entsprechend hohen konstruktiven und integrativen Aufwand. Größere Flächen und damit höhere Leistungen sind mit auf einem Silizium-Substrat integrierten thermoelektrischen Generator nicht darstellbar, weil Silizium-Substrate eine flache Oberfläche benötigen. Aufgrund der genannten Probleme ist es nicht möglich, eine erforderliche Fläche zur Anordnung thermoelektrischer Elemente bereitzustellen.The thermoelectric materials only work with the required efficiency in a particular temperature range. Therefore, especially for high-temperature applications, materials are required that can become very cost-intensive due to doping with rare earths. High-temperature applications also require corresponding electrically conductive contact material. To maximize the efficiency of the system, the heat source as well as the heat sink must have intimate contact with the active surface of the heat transducer material. This can be represented by a bracing or screwing system, but with the disadvantage of a significant increase in weight. Concave or convex connection surfaces in particular require a correspondingly high level of constructive and integrative effort. Larger areas and thus higher outputs cannot be achieved with a thermoelectric generator integrated on a silicon substrate, because silicon substrates require a flat surface. Because of the problems mentioned, it is not possible to provide a required area for the arrangement of thermoelectric elements.

In der EP 3 204 967 B1 ist ein 3D integrierter thermoelektrischer Generator zum Betrieb in einer Konfiguration quer zum Wärmefluss mit internen Hohlräumen und Wärmeleitungswegkonditionierungskontaktlöchern offenbart.In the EP 3 204 967 B1 discloses a 3D integrated thermoelectric generator for operation in a cross-heat flow configuration with internal cavities and heat conduction conditioning vias.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine effiziente thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung bereitzustellen.It is an object of the invention to provide an efficient thermoelectric conversion device.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung, sowie der Figuren.This object is achieved by a thermoelectric conversion device with the features according to independent claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims and the description, as well as the figures.

Eine erfindungsgemäße thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung weist ein erstes thermisches Kontaktierungselement und ein dem ersten thermischen Kontaktierungselement gegenüberliegendes, dem ersten Kontaktierungselement zugewandtes, zweites thermisches Kontaktierungselement auf. Das erste thermische Kontaktierungselement und das zweite thermische Kontaktierungselement grenzen jeweils direkt an wenigstens eine gemeinsame Elementanordnung aus thermoelektrischen Elementen an. Es ist vorgesehen, dass das jeweilige Kontaktierungselement einen Basiskörper und mehrere mit dem Basiskörper verbundene, von dem Basiskörper abstehende konvexe Strukturkörper aufweist. Die konvexe Form bezieht sich hierbei insbesondere auf die Form des jeweiligen Strukturkörpers in einer Schnittansicht, also beispielsweise im Querschnitt. Die konvexen Strukturkörper sind voneinander beabstandet angeordnet, sodass sich zwischen jeweils zwei der Strukturkörper ein jeweiliger Aufnahmebereich ergibt. Ein jeweiliger der konvexen Strukturkörper eines thermischen Kontaktierungselements ist in einem jeweiligen der Aufnahmebereiche des entsprechenden anderen Kontaktierungselements angeordnet. Die thermoelektrische Elementanordnung ist zwischen den konvexen Körpern angeordnet.A thermoelectric conversion device according to the invention has a first thermal contact element and a second thermal contact element opposite the first thermal contact element and facing the first contact element. The first thermal contact element and the second thermal Contacting elements each directly adjoin at least one common element arrangement made of thermoelectric elements. It is provided that the respective contacting element has a base body and a plurality of convex structural bodies connected to the base body and projecting from the base body. The convex shape here relates in particular to the shape of the respective structural body in a sectional view, that is to say for example in cross section. The convex structural bodies are arranged at a distance from one another, so that there is a respective receiving region between two of the structural bodies. A respective one of the convex structural bodies of a thermal contacting element is arranged in a respective one of the receiving areas of the corresponding other contacting element. The thermoelectric element arrangement is arranged between the convex bodies.

Mit anderen Worten weist die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung zwei thermische Kontaktierungselemente auf. Jedes der thermischen Kontaktierungselemente ist dazu eingerichtet, eine thermisch leitende Verbindung zu einer Wärmequelle oder einer Wärmesenke herzustellen. Das jeweilige thermoelektrische Kontaktierungselement weist den jeweiligen Basiskörper auf, auf dem mehrere der Strukturkörper angeordnet sind. Die Strukturkörper ragen aus dem oder über dem Basiskörper heraus. Es handelt sich also um erhabene Strukturen auf der Oberfläche des Basiskörpers. Die thermischen Kontaktierungselemente sind gegenüberliegend zueinander angeordnet, wobei die jeweiligen Strukturkörper des einen thermischen Kontaktierungselements den jeweiligen Körpern des anderen thermischen Kontaktierungselements zugewandt ausgerichtet sind. Durch die beabstandet zueinander angeordneten Strukturkörper wird durch jeweils zwei der Strukturkörper des jeweiligen thermischen Kontaktierungselements der jeweilige Aufnahmebereich zumindest teilweise abgegrenzt. Die beiden thermischen Kontaktierungselemente sind derart zueinander angeordnet, dass in dem Aufnahmebereich ein jeweiliger Strukturkörper des anderen thermischen Kontaktierungselements eingreift. Dies bedeutet, dass der Strukturkörper des anderen Kontaktierungselements in diesem Aufnahmebereich angeordnet ist. Die Strukturkörper sind also verschränkt angeordnet. Zwischen den thermischen Kontaktierungselementen ist die Elementanordnung angeordnet, welche aus mehreren thermoelektrischen Elementen besteht. Die thermoelektrischen Elemente grenzen dabei direkt an beide der thermischen Kontaktierungselemente an.In other words, the thermoelectric conversion device has two thermal contacting elements. Each of the thermal contacting elements is set up to establish a thermally conductive connection to a heat source or a heat sink. The respective thermoelectric contacting element has the respective base body on which several of the structural bodies are arranged. The structural bodies protrude from or above the base body. These are raised structures on the surface of the base body. The thermal contacting elements are arranged opposite one another, the respective structural bodies of one thermal contacting element being oriented toward the respective bodies of the other thermal contacting element. Due to the spaced-apart structural bodies, the respective receiving area is at least partially delimited by two of the structural bodies of the respective thermal contacting element. The two thermal contacting elements are arranged relative to one another such that a respective structural body of the other thermal contacting element engages in the receiving area. This means that the structural body of the other contacting element is arranged in this receiving area. The structural bodies are thus arranged in an interlaced manner. The element arrangement, which consists of several thermoelectric elements, is arranged between the thermal contacting elements. The thermoelectric elements directly adjoin both of the thermal contact elements.

Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass durch die Strukturkörper die Oberfläche des jeweiligen thermischen Kontaktierungselements vergrößert wird. Somit ist eine größere Fläche für die Elementanordnung bereitgestellt.The advantage of the invention is that the surface of the respective thermal contacting element is enlarged by the structural body. This provides a larger area for the element arrangement.

Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die thermischen Kontaktierungselemente einen Quader als Basiskörper aufweisen, der eine Kontaktierungsfläche und eine gegenüberliegende Innenfläche aufweisen kann. Die Kontaktierungsfläche kann dazu vorgesehen sein, ein Bauteil, das eine Wärmequelle oder Wärmesenke darstellt, wärmeleitend zu kontaktieren. Die Innenfläche des jeweiligen thermischen Kontaktierungselements kann der Innenfläche des anderen thermischen Kontaktierungselements gegenüberliegend oder zugewandt ausgerichtet sein. Die konvexen Strukturkörper können auf der jeweiligen Innenfläche des jeweiligen thermischen Kontaktierungselements beispielsweise als Rippenstruktur angeordnet sein. Konvex bedeutet, dass die Strukturkörper keinen Hinterschnitt aufweisen. Die Konvexität bezieht sich auf den Verlauf der Kontur des Strukturkörpers im Querschnitt. Die Strukturkörper können an der jeweiligen Innenfläche stoffschlüssig mit dem jeweiligen Basiskörper verbunden sein oder an dem Basiskörper ausgeformt sein. Die thermischen Kontaktierungselemente können ein wärmeleitfähiges Material, wie Kupfer aufweisen. Die thermischen Kontaktierungselemente können mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt worden sein. Es kann vorgesehen sein, dass die thermischen Kontaktierungselemente so zueinander angeordnet sind, dass sich die jeweiligen konvexen Strukturkörper zueinander versetzt gegenüberstehen. Zwischen jeweils zwei der Strukturkörper eines thermischen Kontaktierungselements kann ein Aufnahmeraum angeordnet sein, wobei es sich um ein Aufnahmevolumen handeln kann, das zumindest durch die konvexen Strukturkörper und dem Basiskörper begrenzt sein kann. Die thermischen Kontaktierungselemente können derart zueinander angeordnet sein, dass in einen jeweiligen durch jeweils zwei der Strukturkörper des einen thermischen Kontaktierungselements ein Strukturkörper des jeweils anderen thermischen Kontaktierungselements angeordnet sein kann. Die beiden thermischen Kontaktierungselemente können jeweils an die gemeinsame Elementanordnung aus thermoelektrischen Elementen angrenzen. Sie können formschlüssig mit der Elementanordnung verbunden sein. Die beiden thermischen Kontaktierungselemente können an die gemeinsame Elementanordnung angeklebt oder aufgetragen sein. Die gemeinsame Elementanordnung kann ein oder mehrere der thermoelektrischen Elemente aufweisen. Das jeweilige thermoelektrische Element kann beispielsweise zumindest einen n-dotierten Halbleiter als erstes Materialelement und zumindest einen p-dotierten Halbleiter als zweites Materialelement aufweisen. Die beiden Materialelemente können über ein Verbindungselement elektrisch leitend verbunden sein. Das Verbindungselement kann eine Kontaktierungsstelle der Materialelemente bilden und an einer wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Schicht angeordnet sein, die an einem der thermischen Kontaktierungselement angeordnet ist.For example, it can be provided that the thermal contacting elements have a cuboid as the base body, which can have a contacting surface and an opposite inner surface. The contacting surface can be provided to make heat-conductive contact with a component that represents a heat source or heat sink. The inner surface of the respective thermal contacting element can be oriented opposite or facing the inner surface of the other thermal contacting element. The convex structural bodies can be arranged on the respective inner surface of the respective thermal contact element, for example as a rib structure. Convex means that the structural bodies have no undercut. The convexity refers to the course of the contour of the structural body in cross section. The structural bodies can be integrally connected to the respective base body on the respective inner surface or can be formed on the base body. The thermal contacting elements can have a thermally conductive material, such as copper. The thermal contacting elements can have been manufactured by means of an additive manufacturing process. It can be provided that the thermal contacting elements are arranged with respect to one another such that the respective convex structural bodies are offset relative to one another. A receiving space can be arranged between two of the structural bodies of a thermal contacting element, which can be a receiving volume that can be delimited at least by the convex structural bodies and the base body. The thermal contacting elements can be arranged relative to one another in such a way that a structural body of the other thermal contacting element can be arranged in a respective one of two of the structural bodies of one thermal contacting element. The two thermal contacting elements can each adjoin the common element arrangement composed of thermoelectric elements. They can be positively connected to the element arrangement. The two thermal contacting elements can be glued or applied to the common element arrangement. The common element arrangement can have one or more of the thermoelectric elements. The respective thermoelectric element can have, for example, at least one n-doped semiconductor as the first material element and at least one p-doped semiconductor as the second material element. The two material elements can be connected in an electrically conductive manner via a connecting element. The connecting element can be a contact point of the material elements form and be arranged on a heat-conducting, electrically insulating layer which is arranged on one of the thermal contacting element.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also includes further developments which result in additional advantages.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein jeweiliger konvexer Strukturkörper entlang dessen Längsrichtung prismatisch ausgebildet ist. Mit anderen Worten weist ein jeweiliger konvexer Strukturkörper ein Polygon als Grundfläche auf, das entlang der Längsrichtung des konvexen Strukturkörpers gestreckt ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die konvexen Strukturkörper eine einfache Struktur aufweisen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Strukturkörper eine regelmäßige vieleckige Grundfläche aufweist, wobei eine Extrusion der Grundfläche entlang einer Längsrichtung, welche tangential zur Innenfläche des Basiskörpers ausgerichtet ist, verläuft. Ist die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung gekrümmt, können die thermischen Kontaktierungselemente gekrümmte Innen- und Kontaktierungsflächen aufweisen. In diesem Fall kann der Strukturkörper ein Prisma sein, der von der Grundfläche entlang einer gekrümmten Linie entlang der Innenfläche extrudiert ist.A further development of the invention provides that a respective convex structural body is prismatic along its longitudinal direction. In other words, a respective convex structural body has a polygon as the base area, which is stretched along the longitudinal direction of the convex structural body. This has the advantage that the convex structural bodies have a simple structure. For example, it can be provided that the structural body has a regular polygonal base area, with an extrusion of the base area running along a longitudinal direction, which is oriented tangentially to the inner surface of the base body. If the thermoelectric conversion device is curved, the thermal contacting elements can have curved inner and contacting surfaces. In this case, the structural body can be a prism, which is extruded from the base surface along a curved line along the inner surface.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Grundfläche eines jeweiligen Strukturkörpers eine dreieckige Form aufweist. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem jeweiligen Strukturkörper um ein Prisma mit einer dreieckigen Grundfläche. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die thermischen Kontaktierungselemente ineinander verzahnt angeordnet werden können. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Grundfläche drei Kanten aufweist, wobei eine der Kanten an dem Basiskörper anliegt. Die zwei anderen der Kanten können parallel zu jeweiligen Kanten eines Strukturkörpers des anderen thermischen Kontaktierungselements ausgerichtet sein und diesen gegenüberliegen. Die an dem Basiskörper angrenzende Kante kann eine Länge von 2 G aufweisen. Schließen diese Kante und eine der anderen Kanten einen Winkel α ein, hat die weitere Kante eine Länge H, wobei H= G/cos (α). H kann beispielsweise in einem Bereich von 2 mm bis 40 mm liegen.A further development of the invention provides that the base area of a respective structural body has a triangular shape. In other words, the respective structural body is a prism with a triangular base. This has the advantage that the thermal contacting elements can be arranged interlocked. For example, it can be provided that the base surface has three edges, one of the edges abutting the base body. The other two of the edges can be aligned parallel to respective edges of a structural body of the other thermal contacting element and can be opposite these. The edge adjoining the base body can have a length of 2 G. If this edge and one of the other edges enclose an angle α, the further edge has a length H, where H = G / cos (α). H can be, for example, in a range from 2 mm to 40 mm.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die konvexen Strukturkörper des jeweiligen thermischen Kontaktierungselements äquidistant zueinander angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die konvexen Strukturkörper eines thermischen Kontaktierungselements derart auf den Basiskörper angeordnet, dass zwischen jeweils zwei benachbarten konvexen Körpern eine gleiche Distanz besteht. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die konvexen Strukturkörper in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die konvexen Strukturkörper einen identischen Abstand zueinander aufweisen.A further development of the invention provides that the convex structural bodies of the respective thermal contact element are arranged equidistant from one another. In other words, the convex structural bodies of a thermal contacting element are arranged on the base body in such a way that there is an equal distance between two adjacent convex bodies. This has the advantage that the convex structural bodies are arranged in a regular pattern. It can be provided, for example, that the convex structural bodies have an identical distance from one another.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die thermoelektrische Elementanordnung zumindest zwei räumlich voneinander getrennte thermoelektrische Elemente aufweist, die sich jeweils über eine Gesamtlänge der konvexen Strukturkörper in Längsrichtung erstrecken und an einem jeweiligen Längsende paarweise miteinander über ein elektrisch leitfähiges Brückenelement verbunden sind. Mit anderen Worten weist die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung zumindest zwei räumlich voneinander getrennte thermoelektrische Elemente auf. Die thermoelektrischen Elemente sind an jeweiligen Flächen der konvexen Strukturkörper angeordnet, welche sich entlang der Längsrichtung des jeweiligen konvexen Strukturkörpers erstrecken. An den Längsenden der thermoelektrischen Elemente befindet sich das jeweilige Brückenelement. Das Brückenelement ist an jeweiligen Längsenden zweier benachbarter thermoelektrischer Elemente angeordnet. Somit sind die zwei benachbarten thermoelektrischen Elemente durch das Brückenelement elektrisch leitend verbunden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung zumindest zwei über das Brückenelement in Serie geschaltete thermoelektrische Elemente aufweist. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die konvexen Strukturkörper jeweils Prismen mit einer dreieckigen Grundfläche sind. Eine Mantelfläche entlang einer Längsrichtung des jeweiligen Strukturkörpers kann formschlüssig und materialschlüssig mit dem Basiskörper verbunden sein. An den zwei freien Mantelflächen kann jeweils ein thermoelektrisches Element angeordnet sein. Das thermoelektrische Element kann entlang der gesamten Längsfläche mit dem Strukturkörper verbunden sein. An den jeweiligen Längsenden können die Brückenelemente angeordnet sein, welche jeweils zwei der thermoelektrischen Elemente miteinander elektrisch leitend verbinden.A further development of the invention provides that the thermoelectric element arrangement has at least two spatially separate thermoelectric elements which each extend in the longitudinal direction over an entire length of the convex structural bodies and are connected in pairs to one another at each respective longitudinal end via an electrically conductive bridge element. In other words, the thermoelectric conversion device has at least two spatially separated thermoelectric elements. The thermoelectric elements are arranged on respective surfaces of the convex structural body, which extend along the longitudinal direction of the respective convex structural body. The respective bridge element is located at the longitudinal ends of the thermoelectric elements. The bridge element is arranged at the respective longitudinal ends of two adjacent thermoelectric elements. The two adjacent thermoelectric elements are thus electrically conductively connected by the bridge element. This has the advantage that the thermoelectric conversion device has at least two thermoelectric elements connected in series via the bridge element. For example, it can be provided that the convex structural bodies are prisms with a triangular base area. A lateral surface along a longitudinal direction of the respective structural body can be connected to the base body in a form-fitting and material-fitting manner. A thermoelectric element can be arranged on each of the two free lateral surfaces. The thermoelectric element can be connected to the structural body along the entire longitudinal surface. The bridge elements, which connect two of the thermoelectric elements to one another in an electrically conductive manner, can be arranged at the respective longitudinal ends.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die thermoelektrischen Elementen eine Mäanderstruktur aufweisen, wobei entlang der Längsrichtung erste Materialelemente und zweite Materialelemente in einer alternierenden Reihenfolge beabstandet voneinander angeordnet sind. Ein jeweiliges Materialelement ist über ein jeweiliges Verbindungselement mit einem benachbarten Materialelement paarweise elektrisch leitend miteinander verbunden. Mit anderen Worten handelt es sich bei den thermoelektrischen Elementen um eine Mäanderstruktur, die eine abwechselnde Reihenfolge von Materialelementen aus verschiedenen Materialien aufweist. An einem jeweiligen Ende eines jeweiligen Materialelements ist das jeweilige Materialelement über ein jeweiliges Verbindungselement mit einem benachbarten Materialelement elektrisch leitend verbunden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das thermoelektrische Element eine energieeffiziente Struktur aufweist.A further development of the invention provides that the thermoelectric elements have a meandering structure, first material elements and second material elements being arranged spaced apart from one another in an alternating sequence along the longitudinal direction. A respective material element is connected to one another in pairs in an electrically conductive manner via a respective connecting element with an adjacent material element. In other words, the thermoelectric elements are a meandering structure which has an alternating sequence of material elements made of different materials. At each end of a respective material element, the respective material element is electrically conductively connected to an adjacent material element via a respective connecting element. This has the advantage that the thermoelectric element has an energy-efficient structure.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Aufnahmebereich einen thermischen und/oder elektrischen Isolator aufweist. Mit anderen Worten ist in dem Aufnahmebereich eine Füllung mit einem thermisch oder elektrisch isolierenden Material angeordnet. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Wärmefluss zwischen den beiden thermischen Kontaktierungselementen außerhalb der thermoelektrischen Elemente minimiert wird. Der Wärmefluss wird folglich an dem Ort der thermoelektrischen Elemente gebündelt. Somit kann die Effizienz der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung erhöht werden.A further development of the invention provides that the receiving area has a thermal and / or electrical insulator. In other words, a filling with a thermally or electrically insulating material is arranged in the receiving area. This has the advantage that heat flow between the two thermal contacting elements outside the thermoelectric elements is minimized. The heat flow is consequently concentrated at the location of the thermoelectric elements. Thus, the efficiency of the thermoelectric conversion device can be increased.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung eine zumindest bereichsweise gekrümmte Platte ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung um eine Platte im Sinne der technischen Mechanik, die eine Krümmung aufweist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung auf krummen Strukturkörpern angeordnet werden kann. Somit kann die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung an Oberflächen angeordnet werden, an welchen thermoelektrische Umwandlungsvorrichtungen auf Basis von beschichtetem Silizium nicht angebracht werden können. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung ein Volumen aufweist, welches an Krümmungen einer Oberfläche eines Motors angepasst ist. Hierdurch ist es möglich, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung formschlüssig an dem Motor angeordnet werden kann.A further development of the invention provides that the thermoelectric conversion device is an at least partially curved plate. In other words, the thermoelectric conversion device is a plate in the sense of technical mechanics, which has a curvature. This has the advantage that the thermoelectric conversion device can be arranged on curved structural bodies. Thus, the thermoelectric conversion device can be arranged on surfaces to which thermoelectric conversion devices based on coated silicon cannot be attached. For example, it can be provided that the thermoelectric conversion device has a volume which is adapted to curvatures of a surface of an engine. This makes it possible for the thermoelectric conversion device to be arranged in a form-fitting manner on the motor.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest die thermischen Kontaktierungselemente additiv gefertigt sind. Mit anderen Worten handelt es sich zumindest bei den thermischen Kontaktierungselementen der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung um Elemente, die mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt wurden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine flexiblere Ausgestaltung der Oberfläche der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung ermöglicht ist. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die thermischen Kontaktierungselemente gefertigt wurden, indem ein Metallpulver schichtweise aufgetragen und durch einen Laser erhitzt wurde. Es kann auch vorgesehen sein, dass weitere Komponenten der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung mittels des additiven Verfahrens gefertigt wurden.A further development of the invention provides that at least the thermal contacting elements are made additively. In other words, at least the thermal contacting elements of the thermoelectric conversion device are elements which have been produced by means of an additive manufacturing process. This has the advantage that a more flexible configuration of the surface of the thermoelectric conversion device is made possible. For example, it can be provided that the thermal contacting elements were produced by applying a metal powder in layers and heating it by a laser. It can also be provided that further components of the thermoelectric conversion device were manufactured by means of the additive method.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung eine Überwachungs- und/oder Leistungselektronik aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine Spannung an Anschlusselementen der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung zu regeln. Mit anderen Worten umfasst die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung elektronische Komponenten, welche eine Überwachung und/oder Regelung der erzeugten Spannung und/oder der umgewandelten Wärme ermöglichen. Die Leistungselektronik ist dazu eingerichtet, eine gewünschte Spannung einzustellen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die zum Betrieb notwendige Elektronik in der Umwandlungsvorrichtung selbst bereitgestellt werden kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass für die Überwachungs- und/oder Leistungselektronik Sockel während des additiven Fertigungsverfahrens bereitgestellt werden, in welche die elektronischen Bauteile nachträglich eingesetzt werden. Die elektronischen Bauteile können beispielsweise Spannungswandler, Sensoren und/oder Mikrocontroller umfassen. Die die Überwachungs-/Leistungelektronik kann dazu eingerichtet sein, mit einem Energiemanagementsystem des Fahrzeugs über einen Datenbus (z.B. LIN, CAN...) Daten zum Betrieb und zur Diagnose auszutauschen.A further development of the invention provides that the thermoelectric conversion device has monitoring and / or power electronics, which is set up to regulate a voltage at connection elements of the thermoelectric conversion device. In other words, the thermoelectric conversion device comprises electronic components which enable the generated voltage and / or the converted heat to be monitored and / or regulated. The power electronics are set up to set a desired voltage. This has the advantage that the electronics required for operation can be provided in the conversion device itself. It can be provided, for example, that bases for the monitoring and / or power electronics are provided during the additive manufacturing process, in which the electronic components are subsequently inserted. The electronic components can comprise, for example, voltage converters, sensors and / or microcontrollers. The monitoring / power electronics can be set up to exchange data for operation and diagnosis with a vehicle energy management system via a data bus (e.g. LIN, CAN ...).

Die Erfindung umfasst auch ein Fahrzeug mit einer thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung. Mit anderen Worten wird durch die Erfindung das Fahrzeug bereitgestellt, in welchem die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung angeordnet ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung zur Nutzung von Abwärme oder zum Heizen von Komponenten des Fahrzeugs verwendet werden kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung an einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs angeordnet ist und die durch den Motor abgegebene Wärme in elektrische Energie umwandelt.The invention also includes a vehicle with a thermoelectric conversion device. In other words, the invention provides the vehicle in which the thermoelectric conversion device is arranged. This has the advantage that the thermoelectric conversion device can be used to utilize waste heat or to heat components of the vehicle. For example, it can be provided that the thermoelectric conversion device is arranged on an internal combustion engine of the vehicle and converts the heat emitted by the engine into electrical energy.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung formschlüssig auf einer gekrümmten Oberfläche des Fahrzeugs angeordnet ist. Mit anderen Worten weist die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung eine Form auf, welche zu einer Form einer Komponente des Fahrzeugs korrespondiert. Die Form umfasst dabei Krümmungen, sodass es sich bei der Oberfläche um keine plane Ebene handelt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Oberfläche eines gekrümmten Bauteils durch die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung beschichtet werden kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung eine Form aufweist, welche an eine Oberfläche eines Abgasrohrs angepasst ist. Somit ist es möglich, die an der Oberfläche des Abgasrohrs abgegebene Wärme in elektrische Energie umzuwandeln. Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung kann die Form eines Konus oder einer Spirale aufweisen. A further development of the invention provides that the thermoelectric conversion device is arranged in a form-fitting manner on a curved surface of the vehicle. In other words, the thermoelectric conversion device has a shape that corresponds to a shape of a component of the vehicle. The shape includes curvatures so that the surface is not a flat plane. This has the advantage that a surface of a curved component can be coated by the thermoelectric conversion device. For example, it can be provided that the thermoelectric conversion device has a shape which is adapted to a surface of an exhaust pipe. It is thus possible to convert the heat given off on the surface of the exhaust pipe into electrical energy. The thermoelectric conversion device may have the shape of a cone or a spiral.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung an einem elektrischen Bauteil des Fahrzeugs angeordnet ist. Mit anderen Worten steht die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung in direktem Kontakt mit dem elektrischen Bauteil des Fahrzeugs. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass Abwärme des elektrischen Bauteils in elektrische Energie umwandelt werden kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Prozessor des Fahrzeugs formschlüssig mit einer Oberfläche der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung verbunden ist, sodass die Wärme des Prozessors in die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung diffundiert und zur Energieumwandlung verwendet werden kann. Das elektrische Bauteil kann auch bei einer Nutzung der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung als Peltierelement zur aktiven Kühlung des Bauteiles verwendet werden.A further development of the invention provides that the thermoelectric conversion device is arranged on an electrical component of the vehicle. In other words, the thermoelectric conversion device is in direct contact with the electrical component of the vehicle. This has the advantage that waste heat from the electrical component can be converted into electrical energy. For example, it can be provided that a processor of the vehicle is positively connected to a surface of the thermoelectric conversion device, so that the heat of the processor diffuses into the thermoelectric conversion device and can be used for energy conversion. The electrical component can also be used when the thermoelectric conversion device is used as a Peltier element for actively cooling the component.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung an einem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs angeordnet ist. Mit anderen Worten weist die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung eine gemeinsame Fläche mit dem elektrischen Energiespeicher auf. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung zum Wärmen oder Kühlen des elektrischen Energiespeichers verwendet werden kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung zum Heizen eines als Akkumulator gestalteten elektrischen Energiespeichers verwendet werden kann, damit die Temperatur des elektrischen Energiespeichers auf eine Betriebstemperatur eingestellt werden kann.A further development of the invention provides that the thermoelectric conversion device is arranged on an electrical energy store of the vehicle. In other words, the thermoelectric conversion device has a common area with the electrical energy store. This has the advantage that the thermoelectric conversion device can be used for heating or cooling the electrical energy store. It can be provided, for example, that the thermoelectric conversion device can be used to heat an electrical energy store designed as an accumulator so that the temperature of the electrical energy store can be set to an operating temperature.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung an einer Armaturentafel oder einer Türfläche angeordnet ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Armaturentafel oder die Türfläche gewärmt oder gekühlt werden können. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung im Bereich eines Türspalts oder eines Türschlosses angeordnet ist. Wird eine vorbestimmte Schwellentemperatur unterschritten und besteht somit die Gefahr eines Festfrierens der Tür, wodurch diese nicht geöffnet werden kann, kann es vorgesehen sein, dass die Tür durch die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung erwärmt wird.A further development of the invention provides that the thermoelectric conversion device is arranged on a dashboard or a door surface. This has the advantage that the dashboard or the door surface can be heated or cooled. For example, it can be provided that the thermoelectric conversion device is arranged in the region of a door gap or a door lock. If the temperature falls below a predetermined threshold temperature and there is therefore a risk of the door freezing, which means that the door cannot be opened, it can be provided that the door is heated by the thermoelectric conversion device.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.Further features of the invention result from the claims, the figures and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combination indicated in each case, but also in other combinations or on their own.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung;
2 eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung; und
3 ein Fahrzeug.

The invention will now be explained in more detail using a preferred exemplary embodiment and with reference to the drawings. Show it:

1 a thermoelectric conversion device;
2nd a thermoelectric conversion device; and
3rd a vehicle.

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures, elements with the same function are each provided with the same reference symbols.

1 zeigt eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1. Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 kann dazu eingerichtet sein, ein erstes Bauteil B1 der Temperatur T1 mit einem zweiten Bauteil B2 der Temperatur T2 wärmeleitend miteinander zu verbinden. Die Temperatur T2 kann höher sein als die Temperatur T1. Es besteht somit ein Temperaturunterschied ΔT zwischen den beiden Temperaturen T1, T2. Somit kann ein Wärmefluss zwischen den beiden Bauteilen B1, B2 stattfinden, wobei das zweite Bauteil B2 der Temperatur T2 als Wärmequelle und das erste Bauteil B1 der Temperatur T1 als Wärmesenke wirken kann. Um die beiden Bauteile B1, B2 thermisch kontaktieren zu können, kann die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 ein erstes thermisches Kontaktierungselement 2 und ein zweites thermisches Kontaktierungselement 3 aufweisen. Die thermischen Kontaktierungselemente 2, 3 können aus einem Material bestehen, das eine vorbestimmte Wärmeleitfähigkeit aufweisen kann. Es kann sich beispielsweise um Kupfer, Aluminium oder eine Legierung dieser Metalle handeln. 1 shows a thermoelectric conversion device 1 . The thermoelectric conversion device 1 can be set up a first component B1 the temperature T1 with a second component B2 the temperature T2 to connect with each other in a heat-conducting manner. The temperature T2 can be higher than the temperature T1 . There is therefore a temperature difference ΔT between the two temperatures T1 , T2 . This allows heat to flow between the two components B1 , B2 take place, the second component B2 the temperature T2 as a heat source and the first component B1 the temperature T1 can act as a heat sink. To the two components B1 , B2 To be able to contact thermally, the thermoelectric conversion device 1 a first thermal contact element 2nd and a second thermal contact element 3rd exhibit. The thermal contact elements 2nd , 3rd can consist of a material that can have a predetermined thermal conductivity. It can be, for example, copper, aluminum or an alloy of these metals.

Um eine Effizienz der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 erhöhen zu können, kann es vorgesehen sein, dass die thermischen Kontaktierungselemente 2, 3 einen jeweiligen Basiskörper 4, 5 aufweisen, der eine Kontaktierungsfläche 6,7 aufweist, deren Form zu der der jeweils zu kontaktierenden Komponente korrespondiert. Die Kontaktierungsflächen 6 und 7 können somit mit dem jeweiligen Bauteil B1, B2 formschlüssig verbunden sein. Damit ist ein Wärmefluss durch die erste Kontaktierungsfläche 6 und die zweite Kontaktierungsfläche 7 ermöglicht. Auf einer jeweiligen Innenfläche 8, 9 der jeweiligen Basiskörper 4, 5 können die vom Basiskörper 4, 5 abstehenden konvexen Strukturkörper 10 angeordnet sein. Diese können Volumina sein, welche aus dem jeweiligen Basiskörper 4, 5 abstehen. Die konvexen Strukturkörper 10 können beispielsweise die Form eines Prismas aufweisen. In diesem Fall haben die konvexen Strukturkörper 10 eine Grundfläche 11, wobei es sich um ein Vieleck, insbesondere ein Dreieck, handeln kann. Ein jeweiliger konvexer Strukturkörper 10 kann sich ausgehend von der jeweiligen Grundfläche 11 entlang einer Längsrichtung 12 prismatisch erstrecken. Die Längsrichtung 12 kann beispielsweise eine Normale der Grundfläche 11 sein. Der konvexe Strukturkörper 10 kann eine Seite 13 aufweisen, an der eine formschlüssige und materialschlüssige Verbindung zu dem jeweiligen Basiskörper 4, 5 besteht. Der konvexe Strukturkörper 10 kann eine erste freie Mantelfläche 14 und eine zweite freie Mantelfläche 15 aufweisen, welche jeweils einer der freien Mantelflächen 14, 15 eines konvexen Strukturkörpers 10 des anderen thermischen Kontaktierungselements 2, 3 gegenüberliegt. Durch die konvexen Strukturkörper 10 kann paarweise ein jeweiliger Aufnahmebereich 16 gebildet oder teilweise begrenzt sein. In diesem Aufnahmebereich 16 kann ein konvexer Strukturkörper 10 des anderen thermischen Kontaktierungselements angeordnet sein. Die konvexen Strukturkörper 10 an einem Rand der jeweiligen Innenfläche 8, 9 können so angeordnet sein, dass sie nicht in einem der Aufnahmebereiche 16 angeordnet sein und/oder keinen Aufnahmebereich 16 abgrenzen.To ensure efficiency of the thermoelectric conversion device 1 To be able to increase, it can be provided that the thermal contact elements 2nd , 3rd a respective base body 4th , 5 have a contacting surface 6 , 7 has, whose shape corresponds to that of the component to be contacted. The contact areas 6 and 7 can thus with the respective component B1 , B2 be positively connected. This is a heat flow through the first contact surface 6 and the second contact area 7 enables. On a respective inner surface 8th , 9 the respective base body 4th , 5 can from the base body 4th , 5 protruding convex structural body 10th be arranged. These can be volumes made up of the respective base body 4th , 5 stand out. The convex structural body 10th can have the shape of a prism, for example. In this case, the convex structural bodies have 10th a footprint 11 , being a polygon, especially a Triangle, can act. A respective convex structural body 10th can be based on the respective footprint 11 along a longitudinal direction 12 extend prismatic. The longitudinal direction 12 can for example be a normal of the base area 11 be. The convex structural body 10th can one side 13 have on which a positive and material connection to the respective base body 4th , 5 consists. The convex structural body 10th can have a first free lateral surface 14 and a second free surface area 15 have, which each one of the free lateral surfaces 14 , 15 of a convex structural body 10th of the other thermal contacting element 2nd , 3rd opposite. Due to the convex structural body 10th can pair a respective recording area 16 be formed or partially limited. In this recording area 16 can be a convex structural body 10th of the other thermal contact element. The convex structural body 10th on an edge of the respective inner surface 8th , 9 can be arranged so that they are not in one of the receiving areas 16 be arranged and / or no recording area 16 delimit.

Die jeweiligen thermischen Kontaktierungselemente 2, 3 können an wenigstens eine gemeinsame Elementanordnung 17 aus thermoelektrischen Elementen 18 angrenzen. Es kann vorgesehen sein, dass die thermoelektrischen Elemente 18 zwischen freien Mantelflächen 14, 15 gegenüberliegender konvexer Strukturkörper 10 angeordnet und mit diesen formschlüssig verbunden sind. Somit kontaktiert das erste thermische Kontaktierungselement 2 und das zweite thermische Kontaktierungselement 3 das thermoelektrische Element 18 an jeweils gegenüberliegenden Seiten. Die thermoelektrischen Elemente 18 können entlang der Längsrichtung auf den freien Mantelflächen 14, 15 angeordnet sei. Die thermoelektrischen Elemente 18 können p-dotierte Halbleiterelemente und n-dotierte Halbleiterelemente als erstes Materialelemente n, p aufweisen, welche in einer alternierenden Reihenfolge voneinander beabstandet angeordnet sein können. Die Materialelemente n, p können über Verbindungselemente 19 paarweise miteinander verbunden sein.The respective thermal contact elements 2nd , 3rd can at least one common element arrangement 17th made of thermoelectric elements 18th adjoin. It can be provided that the thermoelectric elements 18th between free lateral surfaces 14 , 15 opposite convex structural body 10th arranged and positively connected to them. The first thermal contacting element thus contacts 2nd and the second thermal contact element 3rd the thermoelectric element 18th on opposite sides. The thermoelectric elements 18th can along the longitudinal direction on the free lateral surfaces 14 , 15 be arranged. The thermoelectric elements 18th can use p-doped semiconductor elements and n-doped semiconductor elements as the first material elements n , p have, which can be arranged spaced apart in an alternating order. The material elements n , p can about fasteners 19th be connected in pairs.

2 zeigt die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung der 1 entlang eines Querschnitts I, der in 1 gekennzeichnet ist. Im Querschnitt ist die Elementanordnung 17 aus den thermoelektrischen Elementen 18 zu erkennen, welche die alternierende Reihenfolge der Materialelemente n, p aufweist. Die thermoelektrischen Elemente 18 verlaufen entlang der Längsrichtung 12 und weisen an jeweiligen Längsenden Brückenelemente 20 auf, welche die thermoelektrischen Elemente 18 paarweise elektrisch leitend miteinander verbinden können. Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 kann zwei Anschlusselemente 21 aufweisen, an welchen die jeweiligen Potentiale bereitgestellt werden können. Eine Leistungselektronik 29 kann die bereitgestellte Spannung einstellen und /oder eine Regelung der thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 ermöglichen. 2nd shows the thermoelectric conversion device of FIG 1 along a cross section I that in 1 is marked. The element arrangement is in cross section 17th from the thermoelectric elements 18th recognize which is the alternating order of material elements n , p having. The thermoelectric elements 18th run along the longitudinal direction 12 and have bridge elements at the respective longitudinal ends 20th on which are the thermoelectric elements 18th can be electrically connected in pairs. The thermoelectric conversion device 1 can have two connection elements 21st have at which the respective potentials can be provided. Power electronics 29 can adjust the voltage provided and / or regulate the thermoelectric conversion device 1 enable.

3 zeigt ein mögliches Fahrzeug 22, welches zumindest eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 aufweist. Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 kann beispielsweise formschlüssig an einer Abgasleitung 23 des Fahrzeugs 22 angeordnet sein. Die thermische Umwandlungsvorrichtung 1 kann eine torusförmige oder spiralförmige Form aufweisen und um die Abgasleitung 23 verlaufen. Somit kann eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Abgasleitung 23 und einer Umgebung verwendet werden, um Wärme in elektrische Energie umzuwandeln. Die erste Kontaktierungsfläche 6 kann in diesem Fall mit einer äußeren Mantelfläche der Abgasleitung 23 verbunden sein. Die zweite Kontaktierungsfläche 7 kann einer Umgebung des Fahrzeugs 22 zugewandt sein oder mit einer Karosserie des Fahrzeugs 22 verbunden sein. Es kann vorgesehen sein, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 an einem elektrischen Energiespeicher 24 des Fahrzeugs 22 angeordnet ist. In diesem Fall kann die erste Kontaktierungsfläche mit dem elektrischen Energiespeicher 24 wärmeleitend verbunden sein. Dies kann es ermöglichen, den elektrischen Energiespeicher 24 mittels des thermoelektrischen Effekts der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 zu erwärmen, wodurch der elektrische Energiespeicher 24 auf eine Betriebstemperatur eingeregelt werden kann. Zu diesem Zweck kann in der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 eine Leistungselektronik 29 eingearbeitet sein, welche die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 zur Einstellung der Temperatur des elektrischen Energiespeichers 24 steuern kann. Die Umwandlungsvorrichtung 1 kann auf einem elektrischen Bauteil 25 angeordnet sein. Es kann vorgesehen sein, dass in dem Fahrzeug 22 die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 an einem Verbrennungsmotor 26 angeordnet ist. Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 kann zu diesem Zweck gekrümmt sein, sodass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 formschlüssig an einer gekrümmten Oberfläche des Verbrennungsmotors 26 angeordnet sein kann. Es kann vorgesehen sein, dass die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 an einer Armaturentafel 27 des Kraftfahrzeugs oder einer Türfläche angeordnet ist. Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 kann auch an einer Dachfläche oder allgemein einer Fläche im Fahrgastinnenraum angeordnet sein. Eine Anordnung der thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 an Außenflächen, wie beispielsweise der Motorhaube des Fahrzeugs 22 kann auch vorgesehen sein. 3rd shows a possible vehicle 22 which has at least one thermoelectric conversion device 1 having. The thermoelectric conversion device 1 can, for example, positively on an exhaust pipe 23 of the vehicle 22 be arranged. The thermal conversion device 1 may have a toroidal or spiral shape and around the exhaust pipe 23 run. Thus, a temperature difference ΔT between the exhaust pipe 23 and an environment can be used to convert heat into electrical energy. The first contact area 6 can in this case with an outer surface of the exhaust pipe 23 be connected. The second contact area 7 can be an environment of the vehicle 22 be facing or with a body of the vehicle 22 be connected. It can be provided that the thermoelectric conversion device 1 on an electrical energy storage 24th of the vehicle 22 is arranged. In this case, the first contact surface with the electrical energy store 24th be thermally connected. This can enable the electrical energy storage 24th by means of the thermoelectric effect of the thermoelectric conversion device 1 to heat up, causing the electrical energy storage 24th can be adjusted to an operating temperature. For this purpose, in the thermoelectric conversion device 1 a power electronics 29 be incorporated, which is the thermoelectric conversion device 1 for setting the temperature of the electrical energy store 24th can control. The conversion device 1 can on an electrical component 25th be arranged. It can be provided that in the vehicle 22 the thermoelectric conversion device 1 on an internal combustion engine 26 is arranged. The thermoelectric conversion device 1 can be curved for this purpose, so that the thermoelectric conversion device 1 form-fitting on a curved surface of the internal combustion engine 26 can be arranged. It can be provided that the thermoelectric conversion device 1 on a dashboard 27 of the motor vehicle or a door surface is arranged. The thermoelectric conversion device 1 can also be arranged on a roof surface or generally a surface in the passenger compartment. An arrangement of the thermoelectric conversion device 1 on external surfaces, such as the hood of the vehicle 22 can also be provided.

Es wird vorgeschlagen, die thermoelektrischen Elemente mittels 3D Druck oder allgemein additiver Fertigung in Form der 1 beziehungsweise 2 zu implementieren. It is proposed to thermoelectric elements in the form of 3D printing or general additive manufacturing 1 respectively 2nd to implement.

Dabei gibt es zwei Stufen der Fertigung. In der ersten Ausbaustufe können die Konturen für die heiße und die kalte Seite, also die thermischen Kontaktierungselemente 2, 3, gedruckt werden. Dabei können die die thermoelektrischen Elemente 18 beispielsweise als Matte oder in Streifen in diese Konturen eingelegt werden. Hierzu müssen die Geometrien der Teilkomponenten zueinander abgestimmt sein, um einen hohen Formschluss zu erreichen. In der zweiten Ausbaustufe ist ein vollständiger 3D-Druck denkbar.There are two stages of manufacturing. In the first stage of development, the contours for the hot and cold sides, i.e. the thermal contacting elements 2nd , 3rd , to be printed. The thermoelectric elements 18th for example as a mat or in strips in these contours. For this purpose, the geometries of the subcomponents have to be coordinated with one another in order to achieve a high form fit. In the second stage of expansion, full 3D printing is conceivable.

Es können folgende weitere Formen der thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 ermöglicht sein:

Eine Spiralförmige Form. Eine Form die eine Anordnung der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 rund um ein Rohr, z.B. die Abgasleitung 23 des Fahrzeugs 22 oder einer Heizanlage, ermöglicht. Eine Form, die Kurven und Biegungen für beispielsweise heiße Flächen wie Motoren enthält. Die zwei Anschlusselemente 21 (Elektrische Anschlüsse) der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 können nebeneinander (bifilar) an einer Seite der der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 angeordnet sein oder an den entgegengesetzten Seiten der der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1.

The following are other forms of the thermoelectric conversion device 1 be possible:

A spiral shape. A shape or an arrangement of the thermoelectric conversion device 1 around a pipe, e.g. the exhaust pipe 23 of the vehicle 22 or a heating system. A shape that contains curves and bends for hot surfaces such as engines, for example. The two connection elements 21st (Electrical connections) of the thermoelectric conversion device 1 can be placed side by side (bifilar) on one side of the thermoelectric conversion device 1 be arranged or on the opposite sides of that of the thermoelectric conversion device 1 .

Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 kann als flexibles Füllmaterial zwischen Leistungsendstufen oder Mikroprozessoren und Kühlkörper bzw. Kühlmedium angeordnet sein.The thermoelectric conversion device 1 can be arranged as a flexible filling material between power output stages or microprocessors and heat sink or cooling medium.

Der 3D-Druck ermöglicht nahezu beliebige Flächenkonstruktionen. Denkbar sind auch flexible Flächen. Dies kann bedeuten, dass beispielsweise die thermischen Kontaktierungselemente 2, 3 der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 aus einem flexiblen Material bestehen. Ebenso ermöglicht der 3D Druck die Optimierung der Materialstärke, z.B. auf Grund der notwendigen elektrischen Leistungstragfähigkeit. Aufgrund der darstellbaren Geometrien wird die verfügbare Fläche optimal genutzt, der Ressourceneinsatz sinkt und die Wirksamkeit steigt. Der 3D-Druck erlaubt eine nicht unerhebliche Miniaturisierung. Als Wärmequellen kommen Abgasanlagen, heiße Motorteile, Kühlkörper von Komponenten, Steuergeräten, Außenflächen von Batteriezellen und -modulen oder Elektroniken bzw. Leistungselektroniken in Frage. Für die kalte Seite kommen die Umgebung, die Karosserie oder mit dem Kondensat der Klimaanlage gekühlte Flächen in Frage. Müssen Komponenten wie eine Traktions- oder Bordnetzbatterie im Winter beheizt werden, so kann mittels Bestromung und Nutzung des Peltier-Effektes ein Wärmeeintrag erfolgen.3D printing enables almost any surface construction. Flexible areas are also conceivable. This can mean that, for example, the thermal contacting elements 2nd , 3rd the thermoelectric conversion device 1 consist of a flexible material. 3D printing also enables the material thickness to be optimized, for example due to the necessary electrical performance. Due to the representable geometries, the available space is used optimally, the use of resources decreases and the effectiveness increases. 3D printing allows a not inconsiderable miniaturization. Exhaust systems, hot engine parts, heat sinks for components, control units, outer surfaces of battery cells and modules, or electronics or power electronics can be considered as heat sources. For the cold side, the environment, the body or surfaces cooled with the condensate from the air conditioning system are suitable. If components such as a traction or vehicle electrical system battery need to be heated in winter, heat can be introduced by energizing and using the Peltier effect.

Beispielberechnung:Example calculation:

Flächenverg rößerungsfaktor: $H = G / cos (α)$

Area enlargement factor:

H = G / cos (α)

Spannung je Thermoelement: $U = (SB - SA) (T2 - T1)$

Voltage per thermocouple:

U = (SB - SAT) (T2 - T1)

Seebeckkonstante $S_{x} in μ V / K$

Seebeck constant

S_{x} in μ V / K

Anzahl der in Serie zu schaltenden Elemente abhängig
von Material, Temperatur und Zielspannung:Number of elements to be connected in series depending
of material, temperature and target voltage:

Beispiel: Thermoelektrischer Generator mit Fe/Al-Paaren, umfassend das Materialelement n aus Fe und das Materialelement p aus AI: $U = (19 μ V / K - 3,5 μ V / K) 50 ° K = 775 μ V$

18065 Thermoelemente oder Paare / 14 VExample: Thermoelectric generator with Fe / Al pairs, comprising the material element n made of Fe and the material element p from AI:

U = (19th μ V / K - 3.5 μ V / K) 50 ° K = 775 μ V

18065 thermocouples or pairs / 14 V

Beispiel Thermoelektrischer Generator mit Fe/Ni-Paaren, umfassend das Materialelement n aus Fe und das Materialelement p aus Ni:
: $U = (19 μ V / K + 15 μ V / K) 50 ° K = 1700 μ V$

8235 Thermoelemente oder Paare / 14 VExample thermoelectric generator with Fe / Ni pairs, comprising the material element n made of Fe and the material element p from Ni:
:

U = (19th μ V / K + 15 μ V / K) 50 ° K = 1700 μ V

8235 thermocouples or pairs / 14 V

Mittels des Peltier-Effekts ist es möglich, für eine Kühlung Strom zu erzeugen und im Fall zu hoher Temperatur aktiv zu kühlen. Die Heizung bzw. Kühlung von Flächen kann beispielsweise an Armaturentafeln oder Türflächen erfolgen.The Peltier effect makes it possible to generate electricity for cooling and to actively cool it if the temperature is too high. Surfaces can be heated or cooled, for example, on dashboards or door surfaces.

Es kann vorgesehen sein, dass eine Integration von Überwachungs- und Leistungselektronik in die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 bereitgestellt ist. Zu diesem Zweck können gedruckte, integrierte Sockel für Mikrochips in der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 angeordnet sein. Die Elektronik kann beispielsweise für eine Temperaturüberwachung oder eine Spannungsüberwachung vorgesehen sein. Es können auch Spannungswandler vorgesehen sein, oder Bauteile, welche eine Diagnose und/oder Fehlererkennung ermöglichen. Eine Fertigung der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 ermöglicht eine nahezu beliebige Gestaltung der Form und der Größe. Dadurch ergeben sich die Vorteile, dass eine optimale Flächennutzung, eine kostengünstige Fertigung, eine Nutzung unterschiedlicher Wärmequellen und eine Bereitstellung einer integrierten Elektronik und Fehlerüberwachungskomponenten ermöglicht werden.It can be provided that the monitoring and power electronics are integrated into the thermoelectric conversion device 1 is provided. For this purpose, printed, integrated sockets for microchips can be used in the thermoelectric conversion device 1 be arranged. The electronics can be provided, for example, for temperature monitoring or voltage monitoring. Voltage converters can also be provided, or components that enable diagnosis and / or error detection. A Manufacture of the thermoelectric conversion device 1 enables almost any shape and size. This has the advantages that an optimal use of space, cost-effective production, use of different heat sources and provision of integrated electronics and fault monitoring components are made possible.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11: Thermoelektrische UmwandlungsvorrichtungThermoelectric conversion device
22nd: Erstes thermisches KontaktierungselementFirst thermal contact element
33rd: Zweites thermisches KontaktierungselementSecond thermal contact element
44th: Erster BasiskörperFirst base body
55: Zweiter BasiskörperSecond base body
66: Erste KontaktierungsflächeFirst contact area
77: Zweite KontaktierungsflächeSecond contact area
88th: Erste InnenflächeFirst inner surface
99: Zweite InnenflächeSecond inner surface
1010th: Konvexer StrukturkörperConvex structure
1111: GrundflächeFloor space
1212: LängsrichtungLongitudinal direction
1313: Mantelfläche zum BasiskörperLateral surface to the base body
1414: Erste freie MantelflächeFirst free surface area
1515: Zweite freie MantelflächeSecond free outer surface
1616: AufnahmebereichRecording area
1717th: ElementanordnungElement arrangement
1818th: Thermoelektrisches ElementThermoelectric element
1919th: VerbindungselementFastener
2020th: BrückenelementBridge element
2121st: AnschlusselementConnecting element
2222: Fahrzeugvehicle
2323: AbgasleitungExhaust pipe
2424th: Elektrischer EnergiespeicherElectrical energy storage
2525th: Elektrisches BauteilElectrical component
2626: VerbrennungsmotorInternal combustion engine
2727th: ArmaturentafelDashboard
2828: TürflächeDoor surface
2929: LeistungselektronikPower electronics
T1T1: Temperatur 1Temperature 1
T2T2: Temperatur 2Temperature 2
B1B1: Bauteil 1Component 1
B2B2: Bauteil 2Component 2
nn: erstes Materialelementfirst material element
pp: zweites Materialelementsecond material element
SASAT: Seebeckkonstante des ersten MaterialelementsSeebeck constant of the first material element
SBSB: Seebeckkonstante des zweiten MaterialelementsSeebeck constant of the second material element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 3204967 B1 [0007]

Claims

Thermoelectric conversion device (1), the thermoelectric conversion device (1) having a first thermal contacting element (2) and a second thermal contacting element (3) opposite the first thermal contacting element (2) and facing the first contacting element (2), both contacting elements (2, 3) each directly adjoin at least one common element arrangement (17) made of thermoelectric elements (18), characterized in that - the respective contacting element (2, 3) has a base body (4, 5) and several with the base body (4 , 5) connected convex structural bodies (10) projecting from the base body (4, 5), the convex structural bodies (10) being arranged at a distance from one another, so that a respective receiving region (16) results between two of the structural bodies (10) , and - a respective one of the convex structural bodies (10) of one of the thermal contacting elements (2, 3) engages in a respective one of the receiving areas (16) of the corresponding other contacting element (2, 3), and - the thermoelectric element arrangement (17) is arranged between the convex structural bodies (10).

Thermoelectric conversion device (1) after Claim 1 , characterized in that the respective convex structural body (10) is prismatic along its longitudinal direction (12).

Thermoelectric conversion device (1) after Claim 2 , characterized in that a base surface (11) of the respective convex structural body (10) has a triangular shape.

Thermoelectric conversion device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the convex structural bodies (10) of the respective thermal contact element (2, 3) are arranged equidistant from one another.

Thermoelectric conversion device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermoelectric element arrangement (17) has at least two spatially separate thermoelectric elements (18), each of which extends over a total length of the convex structural bodies (10) in the longitudinal direction (12). extend and are connected to one another in pairs at a respective end face via an electrically conductive bridge element (20).

Thermoelectric conversion device (1) after Claim 5 , characterized in that the thermoelectric elements (18) have a meandering structure, first material elements (n) and second material elements (p) being arranged spaced apart from one another in an alternating sequence along the longitudinal direction (12) and a respective material element (n, p) is connected to each other in pairs in an electrically conductive manner via a respective connecting element (19) with an adjacent material element (n, p).

Thermoelectric conversion device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the respective receiving area (16) has a thermal and / or electrical insulator.

Thermoelectric conversion device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermoelectric conversion device is at least partially plate-shaped and / or curved.

Thermoelectric conversion device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least the thermal contacting elements (2, 3) are made additively.

Thermoelectric conversion device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermoelectric conversion device (1) has monitoring and / or power electronics (29) which is set up to apply a voltage to connection elements (21) of the thermoelectric conversion device (1 ) to regulate.

Vehicle (22) with a thermoelectric conversion device (1) according to one of the preceding claims.

Vehicle (22) with a thermoelectric conversion device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermoelectric conversion device (1) is arranged in a form-fitting manner on a curved surface of the vehicle (22).

Vehicle (22) with a thermoelectric conversion device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that that the thermoelectric conversion device (1) is arranged on an electrical component (25).

Vehicle (22) with a thermoelectric conversion device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermoelectric conversion device (1) is arranged on an electrical energy store (24).

Vehicle (22) with a thermoelectric conversion device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermoelectric conversion device (1) is arranged on a dashboard (27) or a door surface (28).