DE102020104425A1 - Thermoelectric generator device, vehicle and method for manufacturing a thermoelectric generator device - Google Patents

Thermoelectric generator device, vehicle and method for manufacturing a thermoelectric generator device Download PDF

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Jürgen Haunstetter
Volker Dreißigacker
Stefan Zunft
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
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Abstract

Es wird eine thermoelektrische Generatorvorrichtung bereitgestellt, umfassend eine Heißwärmeübertragungseinrichtung mit einer Heißseite, eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung mit einer Kaltseite und eine zwischen der Heißseite und der Kaltseite angeordnete thermoelektrische Moduleinrichtung, wobei die thermoelektrische Moduleinrichtung mit der Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung und der Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung in thermischem und mechanischem Kontakt steht.A thermoelectric generator device is provided, comprising a hot heat transfer device with a hot side, a cold heat transfer device with a cold side and a thermoelectric module device arranged between the hot side and the cold side, the thermoelectric module device in thermal and mechanical contact with the hot side of the hot heat transfer device and the cold side of the cold heat transfer device stands.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Generatorvorrichtung, umfassend eine Heißwärmeübertragungseinrichtung mit einer Heißseite, eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung mit einer Kaltseite und eine zwischen der Heißseite und der Kaltseite angeordnete thermoelektrische Moduleinrichtung, wobei die thermoelektrische Moduleinrichtung mit der Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung und der Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung in thermischem und mechanischem Kontakt steht.The invention relates to a thermoelectric generator device, comprising a hot heat transfer device with a hot side, a cold heat transfer device with a cold side and a thermoelectric module device arranged between the hot side and the cold side, the thermoelectric module device in thermal and mechanical contact with the hot side of the hot heat transfer device and the cold side of the cold heat transfer device stands.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere Landfahrzeug und/oder Luftfahrzeug und/oder Wasserfahrzeug, umfassend eine thermoelektrische Generatorvorrichtung.The invention also relates to a vehicle, in particular a land vehicle and / or aircraft and / or watercraft, comprising a thermoelectric generator device.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung.The invention also relates to a method for producing a thermoelectric generator device.

Aus der DE 20 2016 106 971 U1 ist eine thermoelektrische Generatorvorrichtung bekannt, umfassend eine Heißwärmeübertragungseinrichtung mit einer Heißseite, eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung mit einer Kaltseite, und eine zwischen der Heißseite und der Kaltseite angeordnete thermoelektrische Moduleinrichtung, wobei die Heißseite in thermischem Kontakt mit einer ersten Seite der thermoelektrischen Moduleinrichtung steht, die Kaltseite in thermischem Kontakt mit einer zweiten Seite der thermoelektrischen Moduleinrichtung steht, eine erste Isolierlage stoffschlüssig mit der ersten Seite der thermoelektrischen Moduleinrichtung verbunden ist, eine zweite Isolierlage stoffschlüssig mit der zweiten Seite der thermoelektrischen Moduleinrichtung verbunden ist, und wobei die erste Isolierlage stoffschlüssig mit der Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung verbunden ist.From the DE 20 2016 106 971 U1 a thermoelectric generator device is known, comprising a hot heat transfer device with a hot side, a cold heat transfer device with a cold side, and a thermoelectric module device arranged between the hot side and the cold side, the hot side being in thermal contact with a first side of the thermoelectric module device, the cold side in thermal contact Contact is made with a second side of the thermoelectric module device, a first insulating layer is materially connected to the first side of the thermoelectric module device, a second insulating layer is materially connected to the second side of the thermoelectric module device, and the first insulating layer is materially connected to the hot side of the heat transfer device is.

Aus der US 2014/0230874 A1 ist ein thermoelektrischer Generator bekannt, der eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen verwendet, um elektrischen Strom aus Abwärme zu erzeugen, wenn Abwärme verfügbar ist, und aus einer alternativen Wärmequelle, wenn Abwärme nicht verfügbar ist.From the US 2014/0230874 A1 a thermoelectric generator is known which uses a plurality of thermoelectric modules to generate electrical power from waste heat when waste heat is available and from an alternative heat source when waste heat is not available.

Aus der WO 2012/045 536 A2 und aus der WO 2016/054 337 A1 sind jeweils weitere thermoelektrische Generatoren bekannt.From the WO 2012/045 536 A2 and from the WO 2016/054 337 A1 further thermoelectric generators are known in each case.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte thermoelektrische Generatorvorrichtung bereitzustellen, welche bei einer verringerten Anzahl an Komponenten einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist.The invention is based on the object of providing a thermoelectric generator device mentioned at the beginning, which has an increased efficiency with a reduced number of components.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten thermoelektrischen Generatorvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest die Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder zumindest die Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung aus einem elektrischen Isolatormaterial hergestellt sind.This object is achieved according to the invention in the above-mentioned thermoelectric generator device in that at least the hot side of the hot heat transfer device and / or at least the cold side of the cold heat transfer device are made from an electrical insulator material.

Dadurch ist insbesondere keine separate Lage und/oder elektrische Isolierlage notwendig und/oder vorhanden, welche zwischen der thermoelektrischen Moduleinrichtung und der Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder der Kaltwärmeübertragungseinrichtung angeordnet ist.As a result, in particular no separate layer and / or electrical insulating layer is necessary and / or present, which is arranged between the thermoelectric module device and the hot heat transfer device and / or the cold heat transfer device.

Eine solche Isolierlage ist typischerweise dann notwendig, wenn die Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder die Kaltwärmeübertragungseinrichtung aus einem metallischen Material und/oder aus einem Material mit metallischer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt sind. Die Isolierlage ist dann insbesondere notwendig, um einen Kurzschluss der thermoelektrischen Moduleinrichtung und/oder von Leiterelementen der thermoelektrischen Moduleinrichtung an der Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder an der Kaltwärmeübertragungseinrichtung zu vermeiden.Such an insulating layer is typically necessary when the hot heat transfer device and / or the cold heat transfer device are made from a metallic material and / or from a material with metallic electrical conductivity. The insulating layer is then particularly necessary in order to avoid a short circuit of the thermoelectric module device and / or of conductor elements of the thermoelectric module device on the hot heat transfer device and / or on the cold heat transfer device.

Bei der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatorvorrichtung ist insbesondere ein direkter mechanischer Kontakt zwischen der thermoelektrischen Moduleinrichtung und der Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder der Kaltwärmeübertragungseinrichtung hergestellt.In the thermoelectric generator device according to the invention, in particular, direct mechanical contact is established between the thermoelectric module device and the hot heat transfer device and / or the cold heat transfer device.

Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatorvorrichtung insbesondere keine zusätzliche Lage und/oder Isolierlage zwischen der thermoelektrischen Moduleinrichtung und der Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder der Kaltwärmeübertragungseinrichtung vorhanden ist, lässt sich eine Anzahl an Komponenten und/oder ein Gewicht der thermoelektrischen Generatorvorrichtung verringern.The fact that in the thermoelectric generator device according to the invention there is in particular no additional layer and / or insulating layer between the thermoelectric module device and the hot heat transfer device and / or the cold heat transfer device means that a number of components and / or the weight of the thermoelectric generator device can be reduced.

Weiterhin lassen sich bei der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatorvorrichtung thermomechanische Spannungen zwischen unterschiedlichen Komponenten und/oder Lagen der Vorrichtung verringern. Eine elektrische Isolierlage weist typischerweise einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, während metallische Wärmeübertragungseinrichtungen und/oder metallische Brückenlagen der thermoelektrischen Moduleinrichtung typischerweise hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Durch den Wegfall der elektrischen Isolierlage lässt sich daher eine thermoelektrische Generatorvorrichtung mit Komponenten ausbilden, welche ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Hierdurch lassen sich thermomechanische Verspannungen im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung verringern.Furthermore, with the thermoelectric generator device according to the invention, thermomechanical stresses between different components and / or layers of the device can be reduced. An electrical insulating layer typically has a low coefficient of thermal expansion, while metallic heat transfer devices and / or metallic bridge layers of the thermoelectric module device typically have high coefficients of thermal expansion. By eliminating the electrical insulating layer, a thermoelectric generator device can therefore be formed with components which have similar coefficients of thermal expansion. This allows Reduce thermomechanical stresses during operation of the thermoelectric generator device.

Zusätzliche Lagen und/oder Isolierlagen weisen zudem jeweils einen Wärmewiderstand auf. Durch einen Wegfall von zusätzlichen Lagen und/oder Isolierlagen lässt sich daher eine erhöhte Temperaturdifferenz an der thermoelektrischen Moduleinrichtung realisieren. Dadurch ergibt sich eine erhöhte gravimetrische und/oder volumetrische Leistungsdichte der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatorvorrichtung.Additional layers and / or insulating layers also each have a thermal resistance. By eliminating additional layers and / or insulating layers, an increased temperature difference can therefore be achieved at the thermoelectric module device. This results in an increased gravimetric and / or volumetric power density of the thermoelectric generator device according to the invention.

Die erfindungsgemäße thermoelektrische Generatorvorrichtung weist somit einen erhöhten Wirkungsgrad bei kompakterem Aufbau und verringertem Gesamtgewicht auf.The thermoelectric generator device according to the invention thus has an increased efficiency with a more compact structure and a reduced overall weight.

Unter einem elektrischen Isolatormaterial ist insbesondere ein Material zu verstehen, welches einen spezifischen Widerstand von mindestens 107 Ω·cm und insbesondere mindestens 1010 Ω·cm aufweist und insbesondere mindestens 1011 Ω·cm aufweist. Beispielsweise weist das Material einen spezifischen Widerstand von höchstens 1012 Ω·cm und insbesondere höchstens 1014 Ω·cm auf.An electrical insulator material is to be understood in particular as a material which has a specific resistance of at least 10 7 Ω · cm and in particular at least 10 10 Ω · cm and in particular has at least 10 11 Ω · cm. For example, the material has a specific resistance of at most 10 12 Ω · cm and in particular at most 10 14 Ω · cm.

Darunter, dass zumindest die Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder zumindest die Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung aus einem elektrischen Isolatormaterial hergestellt sind ist insbesondere zu verstehen, dass zumindest die Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder zumindest die Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung aus einem elektrischen Isolatormaterial bestehen. Insbesondere besteht zumindest ein jeweiliges Wandungselement der Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder der Kaltwärmeübertragungseinrichtung aus dem elektrischen Isolatormaterial, an welchem die Heißseite bzw. die Kaltseite im Betrieb der Vorrichtung ausgebildet ist.This means that at least the hot side of the hot heat transfer device and / or at least the cold side of the cold heat transfer device are made of an electrical insulator material, in particular that at least the hot side of the hot heat transfer device and / or at least the cold side of the cold heat transfer device consist of an electrical insulator material. In particular, at least one respective wall element of the hot heat transfer device and / or the cold heat transfer device consists of the electrical insulator material on which the hot side or the cold side is formed during operation of the device.

Unter der Heißseite ist eine Seite der Heißwärmeübertragungseinrichtung zu verstehen, mittels welcher in einem Betriebszustand der Einrichtung eine Wärmeabgabe erfolgt. Unter der Kaltseite ist eine Seite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung zu verstehen, mittels welcher in einem Betriebszustand der Einrichtung eine Wärmeaufnahme erfolgt. Zwischen der Heißseite und der Kaltseite liegt in einem Betriebszustand eine Temperaturdifferenz vor, wobei die Heißseite eine höhere Temperatur aufweist als die Kaltseite.The hot side is to be understood as a side of the hot heat transfer device by means of which heat is emitted in an operating state of the device. The cold side is understood to mean a side of the cold heat transfer device by means of which heat is absorbed when the device is in an operating state. In one operating state, there is a temperature difference between the hot side and the cold side, the hot side having a higher temperature than the cold side.

Die Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder die Kaltwärmeübertragungseinrichtung sind beispielsweise als Rippenwärmeübertragungseinrichtung und/oder Plattenwärmeübertragungseinrichtung und/oder Rohrbündelwärmeübertragungseinrichtung ausgebildet.The hot heat transfer device and / or the cold heat transfer device are designed, for example, as a rib heat transfer device and / or plate heat transfer device and / or tube bundle heat transfer device.

Beispielsweise sind die Kaltwärmeübertragungseinrichtung und/oder die Heißwärmeübertragungseinrichtung jeweils von einem Wärmeübertragungsfluid durchströmbar. Das Wärmeübertragungsfluid ist beispielsweise ein Heißmediumstrom, wie zum Beispiel ein Abgasstrom, oder ein Kaltmediumstrom, wie zum Beispiel ein Kühlwasserstrom.For example, a heat transfer fluid can each flow through the cold heat transfer device and / or the hot heat transfer device. The heat transfer fluid is, for example, a hot medium flow, such as an exhaust gas flow, or a cold medium flow, such as a cooling water flow, for example.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung an mindestens einem Wandungselement der Heißwärmeübertragungseinrichtung ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Wandungselement aus einem elektrischen Isolatormaterial hergestellt ist und wobei die thermoelektrische Moduleinrichtung das mindestens eine Wandungselement thermisch und/oder mechanisch kontaktiert.In particular, it can be provided that the hot side of the hot heat transfer device is formed on at least one wall element of the hot heat transfer device, wherein the at least one wall element is made from an electrical insulator material and wherein the thermoelectric module device makes thermal and / or mechanical contact with the at least one wall element.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung an mindestens einem Wandungselement der Kaltwärmeübertragungseinrichtung ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Wandungselement aus einem elektrischen Isolatormaterial hergestellt ist und wobei die thermoelektrische Moduleinrichtung das mindestens eine Wandungselement thermisch und/oder mechanisch kontaktiert.In particular, it can be provided that the cold side of the cold heat transfer device is formed on at least one wall element of the cold heat transfer device, wherein the at least one wall element is made from an electrical insulator material and wherein the thermoelectric module device makes thermal and / or mechanical contact with the at least one wall element.

Günstig kann es sein, wenn die thermoelektrische Moduleinrichtung eine Mehrzahl von Leiterelementen, eine erste elektrische Brückenlage und/oder eine zweite elektrische Brückenlage aufweist, wobei die erste elektrische Brückenlage zwischen der Heißseite und den Leiterelementen angeordnet ist und/oder die zweite elektrische Brückenlage zwischen der Kaltseite und den Leiterelementen angeordnet ist, und wobei die Leiterelemente mittels der ersten elektrischen Brückenlage und/oder mittels der zweiten elektrischen Brückenlage elektrisch wirksam miteinander verbunden sind. Hierdurch lässt sich beispielsweise eine Parallelschaltung von Leiterelementen auf technisch einfache Weise realisieren.It can be favorable if the thermoelectric module device has a plurality of conductor elements, a first electrical bridge layer and / or a second electrical bridge layer, the first electrical bridge layer being arranged between the hot side and the conductor elements and / or the second electrical bridge layer between the cold side and the conductor elements is arranged, and wherein the conductor elements are connected to one another in an electrically effective manner by means of the first electrical bridge layer and / or by means of the second electrical bridge layer. In this way, for example, a parallel connection of conductor elements can be implemented in a technically simple manner.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Leiterelemente der thermoelektrischen Moduleinrichtung Halbleiterelemente sind, welche insbesondere jeweils p-dotiertes oder n-dotiertes Halbleitermaterial umfassen oder aus diesem bestehen (n-Leiterelemente oder p-Leiterelemente).In particular, it can be provided that the conductor elements of the thermoelectric module device are semiconductor elements which in particular each comprise or consist of p-doped or n-doped semiconductor material (n-conductor elements or p-conductor elements).

Insbesondere umfasst die thermoelektrische Moduleinrichtung alternierend angeordnete n-Leiterelemente und p-Leiterelemente und/oder Paare von n-Leiterelementen und p-Leiterelementen, welche mittels der ersten elektrischen Brückenlage oder der zweiten elektrischen Brückenlage elektrisch wirksam miteinander verbunden sind. Es lässt sich hierdurch bei Vorliegen einer Temperaturdifferenz an der thermoelektrischen Moduleinrichtung mittels des Seebeck-Effekts eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom erzeugen.In particular, the thermoelectric module device comprises alternately arranged n-conductor elements and p-conductor elements and / or pairs of n-conductor elements and p-conductor elements, which are effectively electrically connected to one another by means of the first electrical bridge layer or the second electrical bridge layer. It can be done through this when there is a temperature difference at the thermoelectric module device, generate an electrical voltage and / or an electrical current by means of the Seebeck effect.

Insbesondere sind die Leiterelemente der thermoelektrischen Moduleinrichtung zwischen der ersten elektrischen Brückenlage und der zweiten elektrischen Brückenlage angeordnet.In particular, the conductor elements of the thermoelectric module device are arranged between the first electrical bridge layer and the second electrical bridge layer.

Die erste elektrische Brückenlage und/oder die zweite elektrische Brückenlage sind insbesondere aus einem metallischen Material und/oder aus einem Material mit metallischer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt.The first electrical bridge layer and / or the second electrical bridge layer are made in particular from a metallic material and / or from a material with metallic electrical conductivity.

Beispielsweise sind die erste elektrische Brückenlage und/oder die zweite elektrische Brückenlage stoffschlüssig mit den Leiterelementen der thermoelektrischen Moduleinrichtung, beispielsweise mittels Löten, verbunden.For example, the first electrical bridge layer and / or the second electrical bridge layer are materially connected to the conductor elements of the thermoelectric module device, for example by means of soldering.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die erste elektrische Brückenlage die Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung mechanisch kontaktiert und/oder wenn die zweite elektrische Brückenlage die Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung mechanisch kontaktiert. Beispielsweise ist jeweils ein direkter mechanischer Kontakt, insbesondere ohne Zwischenlage, hergestellt. It can be advantageous if the first electrical bridge layer makes mechanical contact with the hot side of the hot heat transfer device and / or if the second electrical bridge layer makes mechanical contact with the cold side of the cold heat transfer device. For example, a direct mechanical contact, in particular without an intermediate layer, is established in each case.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die erste elektrische Brückenlage mindestens ein Wandungselement der Heißwärmeübertragungseinrichtung mechanisch kontaktiert, an welchem die Heißseite ausgebildet ist.In particular, it can be provided that the first electrical bridge layer makes mechanical contact with at least one wall element of the hot heat transfer device on which the hot side is formed.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die zweite elektrische Brückenlage mindestens ein Wandungselement der Kaltwärmeübertragungseinrichtung mechanisch kontaktiert, an welchem die Kaltseite ausgebildet ist.In particular, it can be provided that the second electrical bridge layer makes mechanical contact with at least one wall element of the cold heat transfer device on which the cold side is formed.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die erste elektrische Brückenlage mit der Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung stoffschlüssig verbunden ist und/oder wenn die zweite elektrische Brückenlage mit der Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung stoffschlüssig verbunden ist. Beispielsweise ist die erste elektrische Brückenlage mit einem Wandungselement der Heißwärmeübertragungseinrichtung, an welchem die Heißseite ausgebildet ist, stoffschlüssig verbunden und/oder es ist die zweite elektrische Brückenlage mit einem Wandungselement der Kaltwärmeübertragungseinrichtung, an welchem die Kaltseite ausgebildet ist, stoffschlüssig verbunden.It can be advantageous if the first electrical bridge layer is materially connected to the hot side of the hot heat transfer device and / or if the second electrical bridge layer is materially connected to the cold side of the cold heat transfer device. For example, the first electrical bridge layer is materially connected to a wall element of the hot heat transfer device on which the hot side is formed and / or the second electrical bridge layer is materially connected to a wall element of the cold heat transfer device on which the cold side is formed.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die erste elektrische Brückenlage auf die Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens und/oder mittels eines Plasmabeschichtungsverfahrens aufgebracht ist oder wird, und/oder wenn die zweite elektrische Brückenlage auf die Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens und/oder mittels eines Plasmabeschichtungsverfahrens aufgebracht ist oder wird. Es lässt sich dadurch ein stoffschlüssiger mechanischer Kontakt und/oder ein thermisch wirksamer Kontakt herstellen.It can be advantageous if the first electrical bridge layer is or is applied to the hot side of the hot heat transfer device by means of a thermal coating process and / or by means of a plasma coating process, and / or if the second electrical bridge layer is or is applied to the cold side of the cold heat transfer device by means of a thermal coating process and / or is or is applied by means of a plasma coating process. In this way, a cohesive mechanical contact and / or a thermally effective contact can be established.

Beispielsweise sind die erste elektrische Brückenlage auf die Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder die zweite elektrische Brückenlage auf die Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung mittels Plasmaspritzen aufgebracht.For example, the first electrical bridge layer is applied to the hot side of the hot heat transfer device and / or the second electrical bridge layer is applied to the cold side of the cold heat transfer device by means of plasma spraying.

Günstig kann es sein, wenn zueinander benachbarte Leiterelemente der thermoelektrischen Moduleinrichtung mittels der ersten elektrischen Brückenlage oder mittels der zweiten elektrischen Brückenlage elektrisch wirksam miteinander verbunden sind. Beispielsweise sind zueinander benachbarte p-Leiterelemente und n-Leiterelemente der thermoelektrischen Moduleinrichtung jeweils abwechselnd mittels der ersten elektrischen Brückenlage und mittels der zweiten elektrischen Brückenlage elektrisch wirksam miteinander verbunden. Es lässt sich dadurch eine Reihenschaltung von jeweiligen Paaren aus p-Leiterelementen und n-Leiterelementen realisieren.It can be advantageous if conductor elements of the thermoelectric module device that are adjacent to one another are connected to one another in an electrically effective manner by means of the first electrical bridge layer or by means of the second electrical bridge layer. For example, mutually adjacent p-conductor elements and n-conductor elements of the thermoelectric module device are in each case connected to one another in an electrically effective manner alternately by means of the first electrical bridge layer and by means of the second electrical bridge layer. In this way, a series connection of respective pairs of p-conductor elements and n-conductor elements can be implemented.

Günstig kann es sein, wenn die erste elektrische Brückenlage und/oder die zweite elektrische Brückenlage ein oder mehrere elektrisch leitende Brückenelemente zur elektrisch wirksamen Verbindung von den Leiterelementen der thermoelektrischen Moduleinrichtung aufweist. Beispielsweise sind mittels eines Brückenelements jeweils zwei zueinander benachbarte Leiterelemente und insbesondere ein p-Leiterelement und ein zu dem p-Leiterelement benachbartes n-Leiterelement miteinander verbunden.It can be favorable if the first electrical bridge layer and / or the second electrical bridge layer has one or more electrically conductive bridge elements for the electrically effective connection of the conductor elements of the thermoelectric module device. For example, two mutually adjacent conductor elements and in particular a p-conductor element and an n-conductor element adjacent to the p-conductor element are connected to one another by means of a bridge element.

Beispielsweise umfassen die Brückenelemente Leiterbahnen zur Herstellung einer elektrisch wirksamen Verbindung.For example, the bridge elements comprise conductor tracks for producing an electrically effective connection.

Günstig kann es sein, wenn das elektrische Isolatormaterial ein Kunststoffmaterial und/oder ein Keramikmaterial ist oder umfasst. Ein Kunststoffmaterial lässt sich vereinfacht verarbeiten, was eine vereinfachte Herstellung der Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder der Kaltwärmeübertragungseinrichtung ermöglicht. Ein Keramikmaterial weist eine erhöhte Hitzebeständigkeit auf, was eine Nutzung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung bei erhöhten Betriebstemperaturen ermöglicht.It can be favorable if the electrical insulator material is or comprises a plastic material and / or a ceramic material. A plastic material can be processed in a simplified manner, which enables the hot heat transfer device and / or the cold heat transfer device to be produced in a simplified manner. A ceramic material has increased heat resistance, which enables the thermoelectric generator device to be used at increased operating temperatures.

Unter der Hitzebeständigkeit und/oder Temperaturbeständigkeit eines Materials wird die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen erhöhte Temperaturen bezeichnet. Hierunter ist insbesondere eine Temperatur zu verstehen, unterhalb welcher die mechanischen Eigenschaften des Materials bei dauerhaftem Einsatz erhalten bleiben.The heat resistance and / or temperature resistance of a material is the resistance of the material to elevated temperatures. This is to be understood as meaning, in particular, a temperature below which the mechanical properties of the material are retained during long-term use.

Das elektrische Isolatormaterial, aus welchem zumindest die Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung hergestellt ist, ist nicht notwendigerweise das gleiche elektrische Isolatormaterial, aus welchem zumindest die Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung hergestellt ist. Es kann sich hierbei um das gleiche Material oder um unterschiedliche Materialien handeln.The electrical insulator material from which at least the hot side of the hot heat transfer device is made is not necessarily the same electrical insulator material from which at least the cold side of the cold heat transfer device is made. It can be the same material or different materials.

Vorteilhaft kann es sein, wenn das elektrische Isolatormaterial, aus welchem zumindest die Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung hergestellt ist, ein Keramikmaterial ist oder umfasst und wenn das elektrische Isolatormaterial, aus welchem zumindest die Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung hergestellt ist, ein Kunststoffmaterial ist oder umfasst. Es lässt sich dadurch die Kaltwärmeübertragungseinrichtung vereinfacht herstellen und Heißwärmeübertragungseinrichtung mit erhöhten Betriebstemperaturen nutzen.It can be advantageous if the electrical insulator material from which at least the hot side of the hot heat transfer device is made is or comprises a ceramic material and if the electrical insulator material from which at least the cold side of the cold heat transfer device is made is or comprises a plastic material. As a result, the cold heat transfer device can be produced in a simplified manner and hot heat transfer device can be used with increased operating temperatures.

Vorteilhaft kann es sein, wenn das Kunststoffmaterial ein thermoplastisches Kunststoffmaterial ist oder umfasst, und insbesondere wenn das Kunststoffmaterial ein Polyetheretherketon-Material und/oder ein Polytetrafluorethylen-Material und/oder ein Polyphenylensulfid-Material ist oder umfasst. Diese Materialien ermöglichen eine vereinfachte Verarbeitung bei erhöhter Hitzebeständigkeit.It can be advantageous if the plastic material is or comprises a thermoplastic plastic material, and in particular if the plastic material is or comprises a polyetheretherketone material and / or a polytetrafluoroethylene material and / or a polyphenylene sulfide material. These materials enable simplified processing with increased heat resistance.

Beispielsweise ist oder umfasst das Kunststoffmaterial ein Hochtemperatur-Thermoplast.For example, the plastic material is or comprises a high-temperature thermoplastic.

Beispielsweise ist das Kunststoffmaterial bis zu einer Temperatur von 250°C und insbesondere 300°C hitzebeständig.For example, the plastic material is heat-resistant up to a temperature of 250.degree. C. and in particular 300.degree.

Das Polyetheretherketon-Material weist beispielsweise eine Hitzebeständigkeit von ca. 250°C auf, das Polytetrafluorethylen-Material weist beispielsweise eine Temperaturbeständigkeit von ca. 260°C auf und das Polyphenylensulfid-Material weist beispielsweise eine Temperaturbeständigkeit von ca. 230°C auf.The polyetheretherketone material has, for example, a heat resistance of approx. 250 ° C, the polytetrafluoroethylene material has, for example, a temperature resistance of approx. 260 ° C and the polyphenylene sulfide material has, for example, a temperature resistance of approx. 230 ° C.

Günstig kann es sein, wenn das Keramikmaterial ein Silikatkeramikmaterial und/oder ein Oxidkeramikmaterial und/oder ein Nitridkeramikmaterial ist oder umfasst. Diese Keramikmaterialien weisen eine erhöhte Temperaturbeständigkeit auf.It can be favorable if the ceramic material is or comprises a silicate ceramic material and / or an oxide ceramic material and / or a nitride ceramic material. These ceramic materials have an increased temperature resistance.

Beispielsweise ist das Keramikmaterial bis zu einer Temperatur von 1000°C und insbesondere 1200°C und insbesondere 1400°C und insbesondere 1600°C hitzebeständig.For example, the ceramic material is heat-resistant up to a temperature of 1000 ° C. and in particular 1200 ° C. and in particular 1400 ° C. and in particular 1600 ° C.

Beispielsweise ist oder umfasst das Keramikmaterial Cordierit mit einer Hitzebeständigkeit von ca. 1200°C, Aluminiumoxid mit einer Hitzebeständigkeit von ca. 1200°C bis 1400°C, Zirkoniumoxid mit einer Hitzebeständigkeit von ca. 800°C bis 1600°C, Aluminiumtitanat mit einer Temperaturbeständigkeit von ca. 900°C bis 1600°C, Siliziumnitrid mit einer Hitzebeständigkeit von ca. 1400°C und Aluminiumnitrid mit einer Temperaturbeständigkeit von ca. 1000°C.For example, the ceramic material is cordierite with a heat resistance of approx. 1200 ° C, aluminum oxide with a heat resistance of approx. 1200 ° C to 1400 ° C, zirconium oxide with a heat resistance of approx. 800 ° C to 1600 ° C, aluminum titanate with a Temperature resistance from approx. 900 ° C to 1600 ° C, silicon nitride with a heat resistance of approx. 1400 ° C and aluminum nitride with a temperature resistance of approx. 1000 ° C.

Günstig kann es sein, wenn die Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder die Kaltwärmeübertragungseinrichtung eine Oberflächenvergrößerungsstruktur und/oder eine Rippenstruktur zur Durchströmung mit einem Wärmeübertragungsfluid aufweist. Es ergibt sich dadurch eine vergrößerte Fläche zur Wärmeübertragung.It can be favorable if the hot heat transfer device and / or the cold heat transfer device has a surface enlargement structure and / or a rib structure for a heat transfer fluid to flow through. This results in an enlarged area for heat transfer.

Beispielsweise ist das Wärmeübertragungsfluid ein Heißmediumstrom oder ein Kaltmediumstrom.For example, the heat transfer fluid is a hot medium flow or a cold medium flow.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder die Kaltwärmeübertragungseinrichtung aus einem elektrischen Isolatormaterial hergestellt sind oder hergestellt werden, und insbesondere wenn die Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder die Kaltwärmeübertragungseinrichtung mittels eines Strangpressverfahrens hergestellt sind oder hergestellt werden. Dies ermöglicht eine vereinfachte Herstellung der Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder der Kaltwärmeübertragungseinrichtung aus einem elektrischen Isolatormaterial als Ganzes.It can be advantageous if the hot heat transfer device and / or the cold heat transfer device are or are made from an electrical insulator material, and in particular if the hot heat transfer device and / or the cold heat transfer device are or are made by means of an extrusion process. This enables a simplified production of the hot heat transfer device and / or the cold heat transfer device from an electrical insulator material as a whole.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder die Kaltwärmeübertragungseinrichtung vollständig und/oder integral und/oder im Wesentlichen aus dem elektrischen Isolatormaterial hergestellt ist. Es lässt sich dadurch die thermoelektrische Generatorvorrichtung mit einer verringerten Anzahl an Gesamtkomponenten ausführen und/oder mit einer verringerten Anzahl von Produktionsschritten herstellen.In particular, it can be provided that the hot heat transfer device and / or the cold heat transfer device is made completely and / or integrally and / or essentially from the electrical insulator material. As a result, the thermoelectric generator device can be designed with a reduced number of overall components and / or manufactured with a reduced number of production steps.

Erfindungsgemäß wird ein Fahrzeug bereitgestellt, insbesondere Landfahrzeug und/oder Luftfahrzeug und/oder Wasserfahrzeug, welches eine erfindungsgemäße thermoelektrische Generatorvorrichtung umfasst.According to the invention, a vehicle is provided, in particular a land vehicle and / or aircraft and / or watercraft, which comprises a thermoelectric generator device according to the invention.

Mittels der thermoelektrischen Generatorvorrichtung lässt sich beispielsweise eine vorhandene Temperaturdifferenz zwischen einem Abgasstrom des Fahrzeugs und einem Kühlstrom zur Erzeugung elektrischer Energie nutzen. Diese elektrische Energie lässt sich beispielsweise zum Antrieb des Fahrzeugs nutzen. Hierdurch lässt sich der Wirkungsgrad des Fahrzeugs erhöhen.By means of the thermoelectric generator device, for example, an existing temperature difference between an exhaust gas flow of the vehicle and a cooling flow can be generated use electrical energy. This electrical energy can be used to drive the vehicle, for example. This increases the efficiency of the vehicle.

Beispielsweise ist das Fahrzeug ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen.For example, the vehicle is a passenger car or a truck.

Beispielsweise wird die erfindungsgemäße thermoelektrische Generatorvorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Industrieabwärme eingesetzt.For example, the thermoelectric generator device according to the invention is used to generate electrical energy from waste industrial heat.

Beispielsweise wird die erfindungsgemäße thermoelektrische Generatorvorrichtung zur Versorgung von Stand-alone-Sensoren oder Messsystemen, die in der Nähe von Abwärmeströmen oder Bereichen mit hohen Temperaturunterschieden betrieben werden, eingesetzt.For example, the thermoelectric generator device according to the invention is used to supply stand-alone sensors or measuring systems that are operated in the vicinity of waste heat flows or areas with high temperature differences.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung bereitgestellt, bei dem eine thermoelektrische Moduleinrichtung zwischen einer Heißseite einer Heißwärmeübertragungseinrichtung und einer Kaltseite einer Kaltwärmeübertragungseinrichtung angeordnet wird, zwischen der thermoelektrischen Moduleinrichtung und der Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung und zwischen der thermoelektrischen Moduleinrichtung und der Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung ein thermischer und mechanischer Kontakt hergestellt wird und bei dem zumindest die Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder zumindest die Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung aus einem elektrischen Isolatormaterial hergestellt werden oder hergestellt sind.According to the invention, a method for producing a thermoelectric generator device is provided in which a thermoelectric module device is arranged between a hot side of a hot heat transfer device and a cold side of a cold heat transfer device, between the thermoelectric module device and the hot side of the hot heat transfer device and a thermal between the thermoelectric module device and the cold side of the cold heat transfer device and mechanical contact is established and in which at least the hot side of the hot heat transfer device and / or at least the cold side of the cold heat transfer device are or are made from an electrical insulator material.

Insbesondere weist das erfindungsgemäße Verfahren ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatorvorrichtung auf.In particular, the method according to the invention has one or more features and / or advantages of the thermoelectric generator device according to the invention.

Insbesondere wird zwischen der thermoelektrischen Generatorvorrichtung und der Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung und/oder der Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung ein direkter mechanischer Kontakt und/oder ein mechanischer Kontakt ohne Zwischenlage hergestellt.In particular, a direct mechanical contact and / or a mechanical contact without an intermediate layer is established between the thermoelectric generator device and the hot side of the hot heat transfer device and / or the cold side of the cold heat transfer device.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine erfindungsgemäße thermoelektrische Generatorvorrichtung hergestellt wird oder herstellbar ist.In particular, it can be provided that a thermoelectric generator device according to the invention is or can be produced by means of the method according to the invention.

Falls nicht anders angegeben, ist unter den Angaben in „ca.“ und „zumindest näherungsweise“ zu verstehen, dass ein Wert um höchstens 10 % von dem angegebenen Wert abweicht.Unless otherwise stated, the information in "approx." And "at least approximately" means that a value deviates from the stated value by no more than 10%.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung;
  • 2 ein Fahrzeug, umfassend eine thermoelektrische Generatorvorrichtung;
  • 3 eine Simulation hinsichtlich des Auftretens thermomechanischer Verspannungen in einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung gemäß 1; und
  • 4 eine Simulation hinsichtlich des Auftretens thermomechanischer Verspannungen in einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung, wobei zwischen einer thermoelektrischen Moduleinrichtung und einer Heißwärmeübertragungseinrichtung bzw. Kaltwärmeübertragungseinrichtung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung jeweils eine elektrische Isolierlage angeordnet ist.
The following description of preferred embodiments serves to explain the invention in greater detail in conjunction with the drawings. Show it:
  • 1 a schematic sectional view of an embodiment of a thermoelectric generator device;
  • 2 a vehicle comprising a thermoelectric generator device;
  • 3 a simulation with regard to the occurrence of thermomechanical stresses in a thermoelectric generator device according to 1 ; and
  • 4th a simulation with regard to the occurrence of thermomechanical stresses in a thermoelectric generator device, an electrical insulating layer being arranged between a thermoelectric module device and a hot heat transfer device or cold heat transfer device of the thermoelectric generator device.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical or functionally equivalent elements are provided with the same reference symbols in all figures.

Ein Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung, welche in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, ist mehrlagig aufgebaut. Die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 weist eine Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 mit einer Heißseite 14 und eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 mit einer Kaltseite 18 auf, wobei zwischen der Heißseite 14 und der Kaltseite 18 eine thermoelektrische Moduleinrichtung 20 angeordnet ist.An embodiment of a thermoelectric generator device, which is shown in 1 and is denoted there by 10, has a multi-layer structure. The thermoelectric generator device 10 has a hot heat transfer device 12th with a hot side 14th and a cold heat transfer device 16 with a cold side 18th on, being between the hot side 14th and the cold side 18th a thermoelectric module device 20th is arranged.

An die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 ist eine Wärmequelle gekoppelt. Diese Wärmequelle ist beispielsweise ein Heißmediumstrom 22, welcher durch die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 geführt ist. Dieser Heißmediumstrom 22 ist beispielsweise ein Abgasstrom eines Verbrennungsmotors.To the hot heat transfer device 12th a heat source is coupled. This heat source is, for example, a hot medium flow 22nd passing through the hot heat transfer device 12th is led. This hot medium flow 22nd is, for example, an exhaust gas flow from an internal combustion engine.

An die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 ist eine Wärmesenke gekoppelt. Durch die Kaltwärmeübertragungseinrichtung wird beispielsweise ein Kaltmediumstrom 24 geführt, welcher eine geringere Temperatur aufweist als der Heißmediumstrom 22. Dieser Kaltmediumstrom ist beispielsweise Kühlluft.To the cold heat transfer device 16 is coupled to a heat sink. A cold medium flow, for example, is generated through the cold heat transfer device 24 out, which has a lower temperature than the hot medium flow 22nd . This cold medium flow is, for example, cooling air.

Beispielsweise ist der Kaltmediumstrom parallel oder antiparallel zu dem Heißmediumstrom orientiert.For example, the cold medium flow is oriented parallel or anti-parallel to the hot medium flow.

Die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 umfasst ein Heißwärmeübertragungsgehäuse 26. Das Heißwärmeübertragungsgehäuse 26 weist eine Wandung 28 auf, welche umlaufend geschlossen ausgebildet ist. Beispielsweise erstreckt sich die Wandung 28 parallel zu einer Längsachse 30 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 26.The hot heat transfer device 12th includes a hot heat transfer housing 26th . The heat transfer housing 26th has a wall 28 on, which is designed to be closed all round. For example, the wall extends 28 parallel to a longitudinal axis 30th of the heat transfer housing 26th .

Das Heißwärmeübertragungsgehäuse 26 umfasst einen Innenraum 32, welcher durch die Wandung 28 senkrecht zur Längsachse 30 umlaufend begrenzt ist. Der Innenraum 32 ist bis auf einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss (nicht gezeigt) für den Heißmediumstrom 22 fluiddicht geschlossen. Der Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss sind beispielsweise an Stirnseiten des Heißwärmeübertragungsgehäuses 26 ausgebildet. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass mehrere Eingangsanschlüsse und/oder Ausgangsanschlüsse an dem Heißwärmeübertragungsgehäuse 26 ausgebildet sind.The heat transfer housing 26th includes an interior 32 , which through the wall 28 perpendicular to the longitudinal axis 30th is limited all round. The interior 32 is except for an input connection and an output connection (not shown) for the hot medium flow 22nd closed fluid-tight. The input connection and the output connection are, for example, on the end faces of the hot heat transfer housing 26th educated. In principle, it is also possible for a plurality of input connections and / or output connections on the hot heat transfer housing 26th are trained.

Der Innenraum 32 weist eine Mehrzahl von beabstandeten Kanälen 34 auf, wobei alle oder eine Teilmenge der Kanäle 34 parallel zueinander ausgerichtet sind und insbesondere parallel zu der Längsachse 30 orientiert sind. Benachbarte Kanäle 34a, 34b sind durch eine gemeinsame fluiddichte Wandung 36 voneinander getrennt.The interior 32 has a plurality of spaced apart channels 34 on, with all or a subset of the channels 34 are aligned parallel to one another and in particular parallel to the longitudinal axis 30th are oriented. Adjacent channels 34a , 34b are through a common fluid-tight wall 36 separated from each other.

Die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 weist eine Oberflächenvergrößerungsstruktur 37 und/oder eine Rippenstruktur auf, welche beispielsweise mittels der Kanäle 34 und/oder der Wandungen 36 ausgebildet ist. Diese Oberflächenvergrößerungsstruktur 37 ist mit dem Heißmediumstrom 22 durchströmbar, wodurch sich mittels der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 dem Heißmediumstrom 22 Wärme entziehen lässt.The hot heat transfer device 12th has a surface enlarging structure 37 and / or a rib structure, which for example by means of the channels 34 and / or the walls 36 is trained. This surface enlargement structure 37 is with the hot medium flow 22nd can flow through, whereby by means of the hot heat transfer device 12th the hot medium flow 22nd Allows heat to be withdrawn.

Die Wandung 28 weist ein der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 zugewandtes Wandungselement 38 auf, welches insbesondere eben ausgebildet ist. Dieses Wandungselement 38 steht in thermischem und mechanischem Kontakt mit der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20.The wall 28 has one of the thermoelectric module device 20th facing wall element 38 on, which is particularly flat. This wall element 38 is in thermal and mechanical contact with the thermoelectric module device 20th .

Im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 werden die Wandungen 36 und/oder die Wandung 28 mittels des durch das Heißwärmeübertragungsgehäuse 26 geführten Heißmediumstroms erwärmt. Auf diese Weise wird an dem Wandungselement 38 die Heißseite 14 der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 ausgebildet.In operation of the thermoelectric generator device 10 become the walls 36 and / or the wall 28 by means of the through the hot heat transfer housing 26th guided hot medium flow heated. In this way, on the wall element 38 the hot side 14th the hot heat transfer device 12th educated.

Die Heißseite 14 ist nicht notwendigerweise räumlich zusammenhängend. Es ist grundsätzlich möglich, dass die Heißseite 14 an mehreren räumlich nicht notwendigerweise zusammenhängenden Wandungselementen 38 der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 ausgebildet ist.The hot side 14th is not necessarily spatially contiguous. It is basically possible that the hot side 14th on several wall elements that are not necessarily spatially connected 38 the hot heat transfer device 12th is trained.

Die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 weist grundsätzlich den gleichen Aufbau auf wie die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12. Insbesondere weist die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 auf.The cold heat transfer device 16 basically has the same structure as the hot heat transfer device 12th . In particular, the cold heat transfer device 16 one or more features and / or advantages of the cold heat transfer device 16 on.

Ein Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 ist grundsätzlich gleichartig ausgebildet wie das Heißwärmeübertragungsgehäuse 26. Das Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 weist eine Wandung 42 mit einem der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 zugewandten Wandungselement 44 auf, welches insbesondere eben ausgebildet ist.A cold heat transfer case 40 the cold heat transfer device 16 is basically designed in the same way as the hot heat transfer housing 26th . The cold heat transfer housing 40 has a wall 42 with one of the thermoelectric module devices 20th facing wall element 44 on, which is particularly flat.

Aufgrund des Kaltmediumstroms 24, welcher im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 durch das Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 geführt ist, werden die Wandung 42 und/oder das Wandungselement 44 abgekühlt. Hierdurch bildet sich im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung an dem Wandungselement 44 die Kaltseite 18 aus.Due to the cold medium flow 24 , which in the operation of the thermoelectric generator device 10 through the cold heat transfer housing 40 is performed, the wall 42 and / or the wall element 44 cooled down. As a result, the thermoelectric generator device forms on the wall element during operation 44 the cold side 18th the end.

Die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 und die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 sind derart angeordnet, dass sich die Heißseite 14 und die Kaltseite 18 gegenüberliegen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 liegt das Wandungselement 38 der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 dem Wandungselement 44 der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 gegenüber. Zwischen dem Wandungselement 38 und dem Wandungselement 44 ist ein Zwischenraum 46 ausgebildet. In diesem Zwischenraum 46 ist die thermoelektrische Moduleinrichtung 20 angeordnet.The hot heat transfer device 12th and the cold heat transfer device 16 are arranged so that the hot side 14th and the cold side 18th opposite. In the embodiment according to 1 is the wall element 38 the hot heat transfer device 12th the wall element 44 the cold heat transfer device 16 opposite to. Between the wall element 38 and the wall element 44 is a space 46 educated. In this space 46 is the thermoelectric module device 20th arranged.

Die thermoelektrische Moduleinrichtung 20 weist eine Mehrzahl von Leiterelementen 48 auf, welche jeweils zueinander beabstandet angeordnet sind. Die Leiterelemente 48 sind beispielsweise Halbleiterelemente, welche insbesondere jeweils p-dotiertes oder n-dotiertes Halbleitermaterial umfassen oder aus diesem bestehen (n-Leiterelemente oder p-Leiterelemente).The thermoelectric module device 20th has a plurality of conductor elements 48 on, which are each arranged at a distance from one another. The ladder elements 48 are, for example, semiconductor elements which in particular each comprise or consist of p-doped or n-doped semiconductor material (n-conductor elements or p-conductor elements).

Beispielsweise umfasst die thermoelektrische Moduleinrichtung 20 ein oder mehrere Paare von alternierend angeordneten n-Leiterelementen 50 und p-Leiterelementen 52. Beispielsweise ist zwischen einem n-Leiterelement 50 und einem zu diesem n-Leiterelement 50 benachbarten p-Leiterelement 52 ein Luftspalt 54 ausgebildet, welcher auch eine elektrische Isolierung bildet.For example, the thermoelectric module device comprises 20th one or more pairs of alternately arranged n-conductor elements 50 and p-conductor elements 52 . For example, is between an n-conductor element 50 and one to this n-conductor element 50 neighboring p-conductor element 52 an air gap 54 formed, which also forms electrical insulation.

Zwei einander benachbarte n-Leiterelemente 50 und p-Leiterelemente 52 sind jeweils über eine erste elektrische Brückenlage 56 oder eine zweite elektrische Brückenlage 58 elektrisch wirksam miteinander verbunden. Die erste elektrische Brückenlage 56 ist zwischen der Heißseite 14 und den Leiterelementen 48 angeordnet und die zweite elektrische Brückenlage 58 ist zwischen der Kaltseite 18 und den Leiterelementen 48 angeordnet.Two adjacent n-conductor elements 50 and p-conductor elements 52 are each over a first electrical bridge layer 56 or a second electrical bridge layer 58 electrically effectively connected to one another. The first electrical bridge layer 56 is between the hot side 14th and the ladder elements 48 arranged and the second electrical bridge layer 58 is between the cold side 18th and the ladder elements 48 arranged.

Beispielsweise sind einander benachbarte Leiterelemente 48 der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 jeweils abwechselnd mittels der ersten elektrischen Brückenlage 56 oder mittels der zweiten elektrischen Brückenlage 58 elektrisch wirksam miteinander verbunden.For example, conductor elements that are adjacent to one another are 48 the thermoelectric module device 20th alternately by means of the first electrical bridge layer 56 or by means of the second electrical bridge layer 58 electrically effectively connected to one another.

Zur Herstellung einer elektrisch wirksamen Verbindung zwischen den Leiterelementen 48 weisen die erste elektrische Brückenlage 56 und die zweite elektrische Brückenlage 58 elektrisch leitende Brückenelemente 60 auf, welche beispielsweise aus einem metallischen Material und/oder aus einem Material mit metallischer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt sind.To produce an electrically effective connection between the conductor elements 48 show the first electrical bridge layer 56 and the second electrical bridge layer 58 electrically conductive bridge elements 60 which are made, for example, of a metallic material and / or of a material with metallic electrical conductivity.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist ein n-Leiterelement 50 mit einem benachbarten p-Leiterelement 52 mittels eines Brückenelements 60a der ersten elektrischen Brückenlage 56 verbunden. Dieses p-Leiterelement 52 ist seinerseits mittels eines weiteren Brückenelements 60b der zweiten elektrischen Brückenlage 58 mit einem weiteren n-Leiterelement 50 verbunden, usw.In the embodiment according to 1 is an n-conductor element 50 with an adjacent p-conductor element 52 by means of a bridge element 60a the first electrical bridge layer 56 tied together. This p-conductor element 52 is in turn by means of a further bridge element 60b the second electrical bridge layer 58 with another n-conductor element 50 connected, etc.

Zwischen einander benachbarten Brückenelementen 60 der ersten elektrischen Brückenlage 56 und/oder der zweiten elektrischen Brückenlage 58 ist beispielsweise jeweils ein Luftspalt ausgebildet, d. h. diese Brückenelemente 60 sind elektrisch voneinander isoliert.Between adjacent bridge elements 60 the first electrical bridge layer 56 and / or the second electrical bridge layer 58 For example, an air gap is formed in each case, ie these bridge elements 60 are electrically isolated from each other.

Die erste elektrische Brückenlage 56 kontaktiert eine dem Innenraum 32 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 26 abgewandte Außenseite 62 des Wandungselements 38 thermisch und mechanisch. An dieser Außenseite 62 ist im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 die Heißseite 14 ausgebildet.The first electrical bridge layer 56 contacted one of the interior 32 of the heat transfer housing 26th facing away from the outside 62 of the wall element 38 thermal and mechanical. On this outside 62 is in operation of the thermoelectric generator device 10 the hot side 14th educated.

Die erste elektrische Brückenlage 56 und/oder die Brückenelemente 60 der ersten elektrischen Brückenlage 56 sind stoffschlüssig auf die Außenseite 62 des Wandungselements 38 aufgetragen. Beispielsweise ist die erste elektrische Brückenlage 56 auf die Außenseite 62 des Wandungselements 38 mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens, wie beispielsweise Plasmaspritzen, aufgetragen.The first electrical bridge layer 56 and / or the bridge elements 60 the first electrical bridge layer 56 are firmly bonded to the outside 62 of the wall element 38 applied. For example, the first electrical bridge layer is 56 on the outside 62 of the wall element 38 applied by means of a thermal coating process, such as plasma spraying.

Die zweite elektrische Brückenlage 58 kontaktiert eine Außenseite 64 des Wandungselements 44 der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 thermisch und mechanisch. An dieser Außenseite 64 ist im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 die Kaltseite 18 ausgebildet.The second electrical bridge layer 58 contacts an outside 64 of the wall element 44 the cold heat transfer device 16 thermal and mechanical. On this outside 64 is in operation of the thermoelectric generator device 10 the cold side 18th educated.

Die zweite elektrische Brückenlage 58 und/oder die Brückenelemente 60 der zweiten elektrischen Brückenlage 58 sind mit der Außenseite 64 des Wandungselements 44 des Kaltwärmeübertragungsgehäuses 40 stoffschlüssig verbunden, wobei die stoffschlüssige Verbindung beispielsweise auf die gleiche Weise hergestellt ist wie im Fall zwischen der ersten elektrischen Brückenlage 56 und dem Wandungselement 38. Beispielsweise ist die zweite elektrische Brückenlage 58 auf die Außenseite 64 des Wandungselements 38 mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens, wie beispielsweise Plasmaspritzen, aufgetragen.The second electrical bridge layer 58 and / or the bridge elements 60 the second electrical bridge layer 58 are with the outside 64 of the wall element 44 of the cold heat transfer housing 40 cohesively connected, the cohesive connection being established, for example, in the same way as in the case between the first electrical bridge layer 56 and the wall element 38 . For example, the second electrical bridge layer is 58 on the outside 64 of the wall element 38 applied by means of a thermal coating process, such as plasma spraying.

Die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 und/oder das Wandungselement 38 sind aus einem elektrischen Isolatormaterial hergestellt. Hierdurch wird eine elektrische Leitung zwischen voneinander verschiedenen Brückenelementen 60 der ersten elektrischen Brückenlage 56 mittels des Wandungselements 38 verhindert. Das Material des Wandungselements 38 bildet somit eine elektrische Isolierung für voneinander verschiedene Brückenelemente 60 der ersten elektrischen Brückenlage 56.The hot heat transfer device 12th and / or the wall element 38 are made of an electrical insulator material. This creates an electrical line between different bridge elements 60 the first electrical bridge layer 56 by means of the wall element 38 prevented. The material of the wall element 38 thus forms electrical insulation for bridge elements that are different from one another 60 the first electrical bridge layer 56 .

Beispielsweise ist die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere thermoplastisches Kunststoffmaterial, hergestellt. For example, the hot heat transfer device 12th made of a plastic material, in particular thermoplastic plastic material.

Das Kunststoffmaterial ist oder umfasst beispielsweise Polyetheretherketon und/oder Polytetrafluorethylen und/oder Polyphenylensulfid. Beispielsweise ist das Kunststoffmaterial bis zu einer Temperatur von ca. 200°C bis 250°C hitzebeständig.The plastic material is or comprises, for example, polyetheretherketone and / or polytetrafluoroethylene and / or polyphenylene sulfide. For example, the plastic material is heat-resistant up to a temperature of approx. 200 ° C to 250 ° C.

Alternativ hierzu ist die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 aus einem Keramikmaterial hergestellt, wobei das Keramikmaterial beispielsweise ein Silikatkeramikmaterial und/oder Oxidkeramikmaterial und/oder Nitridkeramikmaterial ist oder umfasst. Beispielsweise ist das Keramikmaterial bis zu einer Temperatur von ca. 1200°C bis 1600°C hitzebeständig.Alternatively to this is the hot heat transfer device 12th produced from a ceramic material, wherein the ceramic material is or comprises, for example, a silicate ceramic material and / or oxide ceramic material and / or nitride ceramic material. For example, the ceramic material is heat-resistant up to a temperature of approx. 1200 ° C to 1600 ° C.

Zur Herstellung der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 werden insbesondere Kunststoffmaterialien eingesetzt, sofern im Betrieb Temperaturen von unter ca. 250°C auftreten, oder es werden Keramikmaterialien eingesetzt, falls im Betrieb Temperaturen über ca. 250°C auftreten.For producing the hot heat transfer device 12th In particular, plastic materials are used if temperatures below approx. 250 ° C occur during operation, or ceramic materials are used if temperatures above approx. 250 ° C occur during operation.

Die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 und/oder das Wandungselement 44 sind ebenfalls aus einem elektrischen Isolatormaterial hergestellt, wobei diese insbesondere aus einem der im Zusammenhang mit der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 genannten Kunststoff- oder Keramikmaterialien hergestellt sind.The cold heat transfer device 16 and / or the wall element 44 are also made from an electrical insulator material, this being in particular from one of the in connection with the hot heat transfer device 12th named plastic or ceramic materials are made.

Beispielsweise sind, je nach Temperatur des Heißmediumstroms 22 und des Kaltmediumstroms 24, die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 und die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 jeweils aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Beispielsweise ist die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 aus einem Keramikmaterial hergestellt und die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 aus einem Kunststoffmaterial hergestellt.For example, depending on the temperature of the hot medium flow 22nd and the cold medium flow 24 , the hot heat transfer device 12th and the cold heat transfer device 16 each made of different materials. For example, the hot heat transfer device 12th made of a ceramic material and the cold heat transfer device 16 made of a plastic material.

Die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 und/oder die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 sind beispielsweise mittels eines Strangpressverfahrens hergestellt.The hot heat transfer device 12th and / or the cold heat transfer device 16 are produced, for example, by means of an extrusion process.

Durch die Ausbildung der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 und der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 und/oder des Wandungselements 38 und/oder des Wandungselements 44 aus einem elektrischen Isolatormaterial wird ein insbesondere direkter mechanischer Kontakt zwischen den Brückenelementen 60 der ersten elektrischen Brückenlage 56 und dem Wandungselement 38 und zwischen den Brückenelementen 60 der zweiten elektrischen Brückenlage 58 und dem Wandungselement 44 ermöglicht. Es ist insbesondere nicht notwendig, eine separate Isolierlage zwischen den Brückenelementen 60 und dem Wandungselement 38 bzw. dem Wandungselement 44 a nzuord nen.Through the formation of the hot heat transfer device 12th and the cold heat transfer device 16 and / or the wall element 38 and / or the wall element 44 an electrical insulator material becomes an in particular direct mechanical contact between the bridge elements 60 the first electrical bridge layer 56 and the wall element 38 and between the bridge elements 60 the second electrical bridge layer 58 and the wall element 44 enables. In particular, it is not necessary to have a separate insulating layer between the bridge elements 60 and the wall element 38 or the wall element 44 to be assigned.

Insbesondere ist zwischen der ersten elektrischen Brückenlage 56 und dem Wandungselement 38 der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 keine Isolierlage angeordnet und/oder es ist zwischen der zweiten elektrischen Brückenlage 58 und dem Wandungselement 44 der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 keine Isolierlage angeordnet. Unter dem Begriff Isolierlage ist eine separate und/oder elektrische Isolierlage zu verstehen, welche beispielsweise mit der ersten elektrischen Brückenlage 56 und/oder mit dem Wandungselement 38 der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 verbunden ist.In particular, it is between the first electrical bridge layer 56 and the wall element 38 the hot heat transfer device 12th no insulating layer is arranged and / or it is between the second electrical bridge layer 58 and the wall element 44 the cold heat transfer device 16 no insulating layer arranged. The term insulating layer is to be understood as a separate and / or electrical insulating layer which, for example, is connected to the first electrical bridge layer 56 and / or with the wall element 38 the hot heat transfer device 12th connected is.

Die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 lässt sich beispielsweise in einem Fahrzeug 66 (2), beispielsweise Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, nutzen. Mittels der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 lässt sich beispielsweise Abgaswärme in elektrische Energie für einen Antrieb des Fahrzeugs 66 umwandeln. Beispielsweise ist dann der Heißmediumstrom 22 ein Abgasstrom des Fahrzeugs 66 und der Kaltmediumstrom 24 ein Kühlstrom.The thermoelectric generator device 10 can be used in a vehicle, for example 66 ( 2 ), for example passenger cars or trucks. By means of the thermoelectric generator device 10 For example, exhaust gas heat can be converted into electrical energy to drive the vehicle 66 convert. For example, then is the hot medium flow 22nd an exhaust gas flow of the vehicle 66 and the cold medium flow 24 a cooling stream.

Die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 funktioniert wie folgt:

  • Im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 wird die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 von dem Heißmediumstrom 22 durchströmt und es wird die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 von dem Kaltmediumstrom 24 durchströmt. Beispielsweise ist der Heißmediumstrom 22 ein Abgasstrom und der Kaltmediumstrom 24 ein Kühlwasserstrom. Der Heißmediumstrom 22 weist eine höhere Temperatur auf als der Kaltmediumstrom 24.
The thermoelectric generator device 10 works like this:
  • In operation of the thermoelectric generator device 10 becomes the hot heat transfer device 12th from the hot medium flow 22nd flows through and it becomes the cold heat transfer device 16 from the cold medium flow 24 flows through. For example, the hot medium flow is 22nd an exhaust gas flow and the cold medium flow 24 a flow of cooling water. The hot medium flow 22nd has a higher temperature than the cold medium flow 24 .

Durch Wärmeübertragung von dem Heißmediumstrom 22 auf die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 und dem Kaltmediumstrom 24 auf die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 bildet sich eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Heißseite 14 und der Kaltseite 18 aus.By heat transfer from the hot medium stream 22nd on the hot heat transfer device 12th and the cold medium flow 24 on the cold heat transfer device 16 a temperature difference ΔT forms between the hot side 14th and the cold side 18th the end.

Die thermoelektrische Moduleinrichtung 20 steht in thermischem und mechanischem Kontakt mit der Heißseite 14 und der Kaltseite 18. Hierdurch bildet sich über die Leiterelemente 48 eine Temperaturdifferenz aus.The thermoelectric module device 20th is in thermal and mechanical contact with the hot side 14th and the cold side 18th . This forms over the conductor elements 48 a temperature difference.

Diese Temperaturdifferenz erzeugt an Paaren von einander benachbarten n-Leiterelementen 50 und p-Leiterelementen 52 über den Seebeck-Effekt jeweils eine elektrische Spannung. Bei der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 sind insbesondere mehrere Paare von n-Leiterelementen 50 und p-Leiterelementen 52 mittels der ersten elektrischen Brückenlage 56 und/oder der zweiten elektrischen Brückenlage 58 in Reihe geschaltet. Die elektrische Spannung dieser Reihenschaltung ist beispielsweise mittels Anschlüssen (nicht gezeigt) abgreifbar.This temperature difference generates on pairs of adjacent n-conductor elements 50 and p-conductor elements 52 an electrical voltage in each case via the Seebeck effect. With the thermoelectric module device 20th are in particular several pairs of n-conductor elements 50 and p-conductor elements 52 by means of the first electrical bridge layer 56 and / or the second electrical bridge layer 58 connected in series. The electrical voltage of this series connection can be tapped off, for example, by means of connections (not shown).

Im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 entstehen zwischen den einzelnen Lagen der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 Temperaturdifferenzen. Dies führt dazu, dass sich jeweilige Lagen und/oder Komponenten der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 in unterschiedlichem Maß ausdehnen oder zusammenziehen. Hierdurch entstehen thermomechanische Verspannungen und Verformungen.In operation of the thermoelectric generator device 10 arise between the individual layers of the thermoelectric generator device 10 Temperature differences. This leads to the fact that the respective layers and / or components of the thermoelectric generator device 10 expand or contract to varying degrees. This creates thermomechanical tension and deformation.

Aufgrund von thermomechanischen Verspannungen wird beispielsweise ein jeweiliger thermischer und/oder mechanischer Kontakt zwischen einzelnen Komponenten und/oder Lagen der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 verschlechtert.Due to thermomechanical stresses, for example, a respective thermal and / or mechanical contact between individual components and / or layers of the thermoelectric generator device occurs 10 worsened.

In 3 ist eine Simulation einer Stärke der auftretenden thermomechanischen Verspannungen im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 gezeigt, wobei stärkere thermomechanische Verspannungen dunkler dargestellt sind. Die gezeigte Skala weist einen Wertebereich von 0 (keine thermomechanischen Verspannungen) bis 1000 (maximale thermomechanische Verspannungen) auf. Grundlage der in 3 gezeigten Simulation ist die vorstehend beschriebene thermoelektrische Generatorvorrichtung 10, wobei ein zwischen der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 und der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 angeordnetes Leiterelement 48 gezeigt ist.In 3 is a simulation of the strength of the thermomechanical stresses that occur during operation of the thermoelectric Generator device 10 shown, whereby stronger thermomechanical stresses are shown darker. The scale shown has a range of values from 0 (no thermomechanical tension) to 1000 (maximum thermomechanical tension). Basis of the in 3 The simulation shown is the thermoelectric generator device described above 10 , wherein a between the hot heat transfer device 12th and the cold heat transfer device 16 arranged conductor element 48 is shown.

Bei der gezeigten Simulation beträgt eine Temperatur der Heißseite 14 ca. 500°C und eine Temperatur der Kaltseite 18 ca. 50°C. Die Temperaturdifferenz ΔT beträgt ca. 450°C.In the simulation shown, a temperature of the hot side is 14th approx. 500 ° C and a temperature on the cold side 18th approx. 50 ° C. The temperature difference ΔT is approx. 450 ° C.

Im Vergleich hierzu ist in 4 die gleiche Simulation (mit den gleichen Temperaturen) für eine thermoelektrische Generatorvorrichtung 10' gezeigt ist. Diese thermoelektrische Generatorvorrichtung 10' unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 dadurch, dass sie eine Heißwärmeübertragungseinrichtung 12' und eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16' aufweist, wobei die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12' und die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16' aus einem metallischen Material und/oder aus einem Material mit metallischer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt sind.In comparison, in 4th the same simulation (with the same temperatures) for a thermoelectric generator device 10 ' is shown. This thermoelectric generator device 10 ' differs from the thermoelectric generator device described above 10 by having a hot heat transfer device 12 ' and a cold heat transfer device 16 ' having, wherein the hot heat transfer device 12 ' and the cold heat transfer device 16 ' are made of a metallic material and / or of a material with metallic electrical conductivity.

Zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen den Brückenelementen 60 der ersten elektrischen Brückenlage 56 und der zweiten elektrischen Brückenlage 58 an der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12' bzw. an der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16' sind eine erste Isolierlage 68 und eine zweite Isolierlage 70 vorgesehen. Die erste Isolierlage 68 ist zwischen der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12' und der ersten elektrischen Brückenlage 56 angeordnet und die zweite Isolierlage 70 ist zwischen der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16' und der zweiten elektrischen Brückenlage 58 angeordnet.To avoid a short circuit between the bridge elements 60 the first electrical bridge layer 56 and the second electrical bridge layer 58 at the hot heat transfer device 12 ' or at the cold heat transfer device 16 ' are a first layer of insulation 68 and a second insulating layer 70 intended. The first layer of insulation 68 is between the hot heat transfer device 12 ' and the first electrical bridge layer 56 arranged and the second insulating layer 70 is between the cold heat transfer device 16 ' and the second electrical bridge layer 58 arranged.

Die erste Isolierlage 68 und/oder die zweite Isolierlage 70 sind aus einem elektrischen Isolatormaterial, wie beispielsweise Al-Mg-Spinell, hergestellt.The first layer of insulation 68 and / or the second insulating layer 70 are made of an electrical insulator material such as Al-Mg spinel.

Wie durch Vergleich der in den 3 und 4 dargestellten Simulationen erkennbar ist, treten im Fall der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10' im Bereich der ersten Isolierlage 58 und der zweiten Isolierlage 70 verstärkt thermomechanische Verspannungen auf. Bei der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 ist ein (direkter) mechanischer Kontakt zwischen der ersten elektrischen Brückenlage 56 und der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 und zwischen der zweiten elektrischen Brückenlage 58 und der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 hergestellt, wobei zwischen der ersten elektrischen Brückenlage 56 und der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 und/oder zwischen der zweiten elektrischen Brückenlage 58 und der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 insbesondere keine zusätzliche Lage und/oder insbesondere keine Isolierlage angeordnet ist.As by comparing those in the 3 and 4th The simulations shown here occur in the case of the thermoelectric generator device 10 ' in the area of the first insulating layer 58 and the second insulating layer 70 increases thermomechanical tension. In the case of the thermoelectric generator device 10 is a (direct) mechanical contact between the first electrical bridge layer 56 and the hot heat transfer device 12th and between the second electrical bridge layer 58 and the cold heat transfer device 16 produced, with between the first electrical bridge layer 56 and the hot heat transfer device 12th and / or between the second electrical bridge layer 58 and the cold heat transfer device 16 in particular no additional layer and / or in particular no insulating layer is arranged.

Hierdurch wird bei der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 im Vergleich zu der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10' ein Auftreten von thermomechanischen Verspannungen verringert. Insbesondere werden die thermomechanischen Verspannungen zwischen der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 und der ersten elektrischen Brückenlage 56 und zwischen der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 16 und der zweiten elektrischen Brückenlage 58 verringert.This is in the thermoelectric generator device 10 compared to the thermoelectric generator device 10 ' the occurrence of thermomechanical stresses is reduced. In particular, the thermomechanical stresses between the hot heat transfer device 12th and the first electrical bridge layer 56 and between the cold heat transfer device 16 and the second electrical bridge layer 58 decreased.

Insbesondere werden die im Betrieb auftretenden thermomechanischen Verspannungen bei der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 im Vergleich zu der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10' um ca. 30-50 % reduziert.In particular, the thermomechanical stresses occurring during operation in the thermoelectric generator device 10 compared to the thermoelectric generator device 10 ' reduced by approx. 30-50%.

Zudem führt ein Vorhandensein von zusätzlichen Isolierlagen zu einem zusätzlichen Temperaturabfall an den jeweiligen Isolierlagen, da die Isolierlagen jeweils einen Wärmewiderstand aufweisen. Bei der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 lässt sich somit die Temperaturdifferenz ΔT an den Leiterelementen 48 erhöhen, da keine Isolierlagen vorgesehen sind.In addition, the presence of additional insulating layers leads to an additional temperature drop at the respective insulating layers, since the insulating layers each have a thermal resistance. In the case of the thermoelectric generator device 10 thus the temperature difference ΔT at the conductor elements 48 increase, as no insulation layers are provided.

Es lässt sich somit ein Wirkungsgrad der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 steigern.It can thus be an efficiency of the thermoelectric generator device 10 increase.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
thermoelektrische Generatorvorrichtungthermoelectric generator device
10'10 '
thermoelektrische Generatorvorrichtungthermoelectric generator device
1212th
HeißwärmeübertragungseinrichtungHot heat transfer device
12'12 '
HeißwärmeübertragungseinrichtungHot heat transfer device
1414th
HeißseiteHot side
1616
KaltwärmeübertragungseinrichtungCold heat transfer device
16'16 '
KaltwärmeübertragungseinrichtungCold heat transfer device
1818th
KaltseiteCold side
2020th
thermoelektrische Moduleinrichtungthermoelectric module device
2222nd
HeißmediumstromHot medium flow
2424
KaltmediumstromCold medium flow
2626th
KaltwärmeübertragungsgehäuseCold heat transfer housing
2828
WandungWall
3030th
LängsachseLongitudinal axis
3232
Innenrauminner space
3434
Kanalchannel
34a34a
Kanalchannel
34b34b
Kanalchannel
3636
WandungWall
3737
OberflächenvergrößerungsstrukturSurface enlargement structure
3838
WandungselementWall element
4040
KaltwärmeübertragungsgehäuseCold heat transfer housing
4242
WandungWall
4444
WandungselementWall element
4646
ZwischenraumSpace
4848
LeiterelementLadder element
5050
n-Leiterelementn-conductor element
5252
p-Leiterelementp-conductor element
5454
LuftspaltAir gap
5656
erste elektrische Brückenlagefirst electrical bridge layer
5858
zweite elektrische Brückenlagesecond electrical bridge layer
6060
BrückenelementBridge element
60a60a
BrückenelementBridge element
60b60b
BrückenelementBridge element
6262
AußenseiteOutside
6464
AußenseiteOutside
6666
Fahrzeugvehicle
6868
erste Isolierlagefirst insulation layer
7070
zweite Isolierlagesecond insulation layer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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  • WO 2016/054337 A1 [0006]WO 2016/054337 A1 [0006]

Claims (18)

Thermoelektrische Generatorvorrichtung, umfassend eine Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) mit einer Heißseite (14), eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung (16) mit einer Kaltseite (18) und eine zwischen der Heißseite (14) und der Kaltseite (18) angeordnete thermoelektrische Moduleinrichtung (20), wobei die thermoelektrische Moduleinrichtung (20) mit der Heißseite (14) der Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) und der Kaltseite (18) der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (16) in thermischem und mechanischem Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Heißseite (14) der Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) und/oder zumindest die Kaltseite (18) der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (16) aus einem elektrischen Isolatormaterial hergestellt sind.Thermoelectric generator device, comprising a hot heat transfer device (12) with a hot side (14), a cold heat transfer device (16) with a cold side (18) and a thermoelectric module device (20) arranged between the hot side (14) and the cold side (18), wherein the The thermoelectric module device (20) is in thermal and mechanical contact with the hot side (14) of the hot heat transfer device (12) and the cold side (18) of the cold heat transfer device (16), characterized in that at least the hot side (14) of the hot heat transfer device (12) and / or at least the cold side (18) of the cold heat transfer device (16) are made from an electrical insulator material. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Moduleinrichtung (20) eine Mehrzahl von Leiterelementen (48), eine erste elektrische Brückenlage (56) und/oder eine zweite elektrische Brückenlage (58) aufweist, wobei die erste elektrische Brückenlage (56) zwischen der Heißseite (14) und den Leiterelementen (48) angeordnet ist und/oder die zweite elektrische Brückenlage (58) zwischen der Kaltseite (18) und den Leiterelementen (48) angeordnet ist, und wobei die Leiterelemente (48) mittels der ersten elektrischen Brückenlage (56) und/oder mittels der zweiten elektrischen Brückenlage (58) elektrisch wirksam miteinander verbunden sind.Thermoelectric generator device according to Claim 1 , characterized in that the thermoelectric module device (20) has a plurality of conductor elements (48), a first electrical bridge layer (56) and / or a second electrical bridge layer (58), the first electrical bridge layer (56) between the hot side ( 14) and the conductor elements (48) is arranged and / or the second electrical bridge layer (58) is arranged between the cold side (18) and the conductor elements (48), and the conductor elements (48) by means of the first electrical bridge layer (56) and / or are connected to one another in an electrically effective manner by means of the second electrical bridge layer (58). Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Brückenlage (56) die Heißseite (14) der Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) mechanisch kontaktiert und/oder dass die zweite elektrische Brückenlage (58) die Kaltseite (18) der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (16) mechanisch kontaktiert.Thermoelectric generator device according to Claim 2 , characterized in that the first electrical bridge layer (56) mechanically contacts the hot side (14) of the hot heat transfer device (12) and / or that the second electrical bridge layer (58) mechanically contacts the cold side (18) of the cold heat transfer device (16). Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Brückenlage (56) mit der Heißseite (14) der Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) stoffschlüssig verbunden ist und/oder dass die zweite elektrische Brückenlage (58) mit der Kaltseite (18) der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (16) stoffschlüssig verbunden ist.Thermoelectric generator device according to one of the Claims 2 or 3 , characterized in that the first electrical bridge layer (56) is materially connected to the hot side (14) of the hot heat transfer device (12) and / or that the second electrical bridge layer (58) is materially connected to the cold side (18) of the cold heat transfer device (16) is. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Brückenlage (56) auf die Heißseite (14) der Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens und/oder mittels eines Plasmabeschichtungsverfahrens aufgebracht ist oder wird, und/oder dass die zweite elektrische Brückenlage (58) auf die Kaltseite (18) der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (16) mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens und/oder mittels eines Plasmabeschichtungsverfahrens aufgebracht ist oder wird.Thermoelectric generator device according to Claim 2 until 4th , characterized in that the first electrical bridge layer (56) is or is applied to the hot side (14) of the hot heat transfer device (12) by means of a thermal coating process and / or by means of a plasma coating process, and / or that the second electrical bridge layer (58) is applied the cold side (18) of the cold heat transfer device (16) is or is applied by means of a thermal coating process and / or by means of a plasma coating process. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zueinander benachbarte Leiterelemente (48) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) mittels der ersten elektrischen Brückenlage (56) oder mittels der zweiten elektrischen Brückenlage (58) elektrisch wirksam miteinander verbunden sind.Thermoelectric generator device according to one of the Claims 2 until 5 , characterized in that mutually adjacent conductor elements (48) of the thermoelectric module device (20) are electrically effectively connected to one another by means of the first electrical bridge layer (56) or by means of the second electrical bridge layer (58). Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Brückenlage (56) und/oder die zweite elektrische Brückenlage (58) ein oder mehrere elektrisch leitende Brückenelemente (60) zur elektrisch wirksamen Verbindung von den Leiterelementen (48) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) aufweist.Thermoelectric generator device according to one of the Claims 2 until 6th , characterized in that the first electrical bridge layer (56) and / or the second electrical bridge layer (58) has one or more electrically conductive bridge elements (60) for the electrically effective connection of the conductor elements (48) of the thermoelectric module device (20). Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Isolatormaterial ein Kunststoffmaterial und/oder ein Keramikmaterial ist oder umfasst.Thermoelectric generator device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical insulator material is or comprises a plastic material and / or a ceramic material. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Isolatormaterial, aus welchem zumindest die Heißseite (14) der Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) hergestellt ist, ein Keramikmaterial ist oder umfasst und dass das elektrische Isolatormaterial, aus welchem zumindest die Kaltseite (18) der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (16) hergestellt ist, ein Kunststoffmaterial ist oder umfasst.Thermoelectric generator device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical insulator material from which at least the hot side (14) of the hot heat transfer device (12) is made is or comprises a ceramic material and that the electrical insulator material from which at least the cold side (18 ) the cold heat transfer device (16) is made, is or comprises a plastic material. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial ein thermoplastisches Kunststoffmaterial ist oder umfasst, und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial ein Polyetheretherketon-Material und/oder ein Polytetrafluorethylen-Material und/oder ein Polyphenylensulfid-Material ist oder umfasst.Thermoelectric generator device according to Claim 8 or 9 , characterized in that the plastic material is or comprises a thermoplastic plastic material, and in particular characterized in that the plastic material is or comprises a polyetheretherketone material and / or a polytetrafluoroethylene material and / or a polyphenylene sulfide material. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial bis zu einer Temperatur von 250°C und insbesondere 300°C hitzebeständig ist.Thermoelectric generator device according to one of the Claims 8 until 10 , characterized in that the plastic material is heat-resistant up to a temperature of 250 ° C and in particular 300 ° C. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial ein Silikatkeramikmaterial und/oder ein Oxidkeramikmaterial und/oder ein Nitridkeramikmaterial ist oder umfasst.Thermoelectric generator device according to one of the Claims 8 until 11 , characterized in that the ceramic material is or comprises a silicate ceramic material and / or an oxide ceramic material and / or a nitride ceramic material. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial bis zu einer Temperatur von 1000°C und insbesondere 1200°C und insbesondere 1400°C und insbesondere 1600°C hitzebeständig ist.Thermoelectric generator device according to one of the Claims 8 until 12th , characterized in that the ceramic material is heat-resistant up to a temperature of 1000 ° C and in particular 1200 ° C and in particular 1400 ° C and in particular 1600 ° C. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) und/oder die Kaltwärmeübertragungseinrichtung (16) eine Oberflächenvergrößerungsstruktur (37) und/oder eine Rippenstruktur zur Durchströmung mit einem Wärmeübertragungsfluid aufweist.Thermoelectric generator device according to one of the preceding claims, characterized in that the hot heat transfer device (12) and / or the cold heat transfer device (16) has a surface enlarging structure (37) and / or a rib structure for a heat transfer fluid to flow through. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) und/oder die Kaltwärmeübertragungseinrichtung (16) aus einem elektrischen Isolatormaterial hergestellt sind oder hergestellt werden, und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) und/oder die Kaltwärmeübertragungseinrichtung (14) mittels eines Strangpressverfahrens hergestellt sind oder hergestellt werden.Thermoelectric generator device according to one of the preceding claims, characterized in that the hot heat transfer device (12) and / or the cold heat transfer device (16) are or are made from an electrical insulator material, and in particular characterized in that the hot heat transfer device (12) and / or the Cold heat transfer device (14) are or are produced by means of an extrusion process. Fahrzeug, insbesondere Landfahrzeug und/oder Luftfahrzeug und/oder Wasserfahrzeug, umfassend eine thermoelektrische Generatorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15.Vehicle, in particular land vehicle and / or aircraft and / or watercraft, comprising a thermoelectric generator device according to one of the Claims 1 until 15th . Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung, bei dem eine thermoelektrische Moduleinrichtung (20) zwischen einer Heißseite (14) einer Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) und einer Kaltseite (18) einer Kaltwärmeübertragungseinrichtung (16) angeordnet wird, zwischen der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) und der Heißseite (14) der Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) und zwischen der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) und der Kaltseite (18) der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (16) ein thermischer und mechanischer Kontakt hergestellt wird und bei dem zumindest die Heißseite (14) der Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) und/oder zumindest die Kaltseite (18) der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (16) aus einem elektrischen Isolatormaterial hergestellt werden oder hergestellt sind.Method for producing a thermoelectric generator device, in which a thermoelectric module device (20) is arranged between a hot side (14) of a hot heat transfer device (12) and a cold side (18) of a cold heat transfer device (16), between the thermoelectric module device (20) and the hot side (14) of the hot heat transfer device (12) and between the thermoelectric module device (20) and the cold side (18) of the cold heat transfer device (16) a thermal and mechanical contact is established and in which at least the hot side (14) of the hot heat transfer device (12) and / or at least the cold side (18) of the cold heat transfer device (16) are or are made from an electrical insulator material. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Verfahrens eine thermoelektrische Generatorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 hergestellt wird oder herstellbar ist.Procedure according to Claim 17 , characterized in that by means of the method a thermoelectric generator device according to one of the Claims 1 until 15th is produced or can be produced.
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