EP2409341A2

EP2409341A2 - Thermoelektrische vorrichtung

Info

Publication number: EP2409341A2
Application number: EP10710021A
Authority: EP
Inventors: Sigrid Limbeck; Rolf BRÜCK
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2012-01-25
Also published as: DE102009013692A1; WO2010106156A3; JP2012521084A; US20120042640A1; WO2010106156A2

Abstract

Thermoelektrischer Generator (33) aufweisend eine Mehrzahl thermoelektrischer Vorrichtungen (1), die von einem Abgas eines Verbrennungskraftmotors nacheinander durchströmbar angeordnet sind, wobei jede thermoelektrische Vorrichtung (1) mindestens einen heißen Strömungspfad für das Abgas und mindestens einen kühlen Strömungspfad für ein Kühlfluid bildet, zwischen denen eine Mehrzahl von p- und n-dotierten Halbleiterelementen (7) gezielt verschaltet und isoliert angeordnet sind, und bei dem bei wenigstens einer thermoelektrischen Vorrichtung (1) wenigstens ein Teil der Halbleiterelemente (7) auf einem flexiblen Medium (50) fixiert sind.

Description

Thermoelektrische Vorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, z. B. aus dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, mittels eines Generators. Damit ist insbesondere ein Generator zur Umwandlung thermischer Energie eines Abgases in elektrische Energie gemeint, also ein sogenannter thermoelektrischer Generator.

Das Abgas aus einem Motor eines Kraftfahrzeuges besitzt thermische Energie, welche mittels eines thermoelektrischen Generators bzw. Apparates in elektrische Energie umgewandelt werden kann, um bspw. eine Batterie oder einen anderen Energiespeicher zu füllen oder elektrischen Verbrauchern die benötigte Energie direkt zuzuführen. Damit wird das Kraftfahrzeug mit einem besseren energetischen Wirkungsgrad betrieben, und es steht für den Betrieb des Kraftfahrzeuges Energie in größerem Umfang zur Verfügung.

Ein solcher thermoelektrischer Generator weist zumindest eine Mehrzahl thermoelektrischer Wandlerelemente auf. Thermoelektrische Materialien sind von einer Art, dass diese effektiv thermische Energie in elektrische Energie umwandeln können (Seebeck-Effekt) und umgekehrt (Peltier- Effekt). Der „Seebeck-Effekt" basiert auf dem Phänomen der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie und wird zur Erzeugung ther- moelektrischer Energie genutzt. Der „Peltier-Effekt" ist die Umkehrung des „Seebeck-Effektes" und ein Phänomen, welches mit Wärmeadsorption einhergeht und in Relation zu einem Stromfluss durch unterschiedliche Materialien verursacht wird. Der „Peltier-Effekt" ist bspw. zum thermoelektrischen Kühlen bereits vorgeschlagen worden.

Solche thermoelektrischen Wandlerelemente weisen bevorzugt eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen auf, die zwischen einer sogenannten Heißseite und einer sogenannten Kaltseite positioniert sind. Thermoelektrische Elemente umfassen z. B. wenigstens zwei Halbleiterquader (p- und n-dotiert), die auf ihrer Ober- und Unterseite (hin zur Heißseite bzw. Kaltseite) wechselseitig mit elektrisch leitenden Brücken versehen sind. Keramikplatten bzw. Keramikbeschichtungen und/oder ähnliche Materialien dienen zur Isolierung der Metallbrücken und sind somit bevorzugt zwischen den Metallbrücken angeordnet. Wird ein Temperaturgefälle beidseits der Halbleiterquader bereitgestellt, so bildet sich ein Spannungspotential aus. Auf der Heißseite des ersten Halbleiterquaders wird dabei Wärme aufgenommen, wobei die Elektronen der einen Seite auf das energetisch höherliegende Leitungsband des folgenden Quaders gelangen. Auf der Kaltseite können die Elektronen nun Energie freisetzen und auf den folgenden Halbleiterquader mit niedrigerem Energieniveau gelangen. Somit kann sich bei einem entsprechenden Temperaturgefälle ein elektrischer Stromfluss einstellen.

Es ist bereits versucht worden, entsprechende thermoelektrische Generatoren für die Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftfahrzeugen, bereitzustellen. Diese waren jedoch meist sehr teuer in der Herstellung und gekennzeichnet durch einen relativ geringen Wir- kungsgrad. Damit konnte noch keine Serientauglichkeit erlangt werden. Außerdem konnte festgestellt werden, dass die bekannten thermoelektri- schen Generatoren meist sehr großen Bauraum verlangen und deshalb nur schwer in die bestehenden Abgasanlagen integriert werden können.

Hiervon ausgehend, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein thermoelektrischer Generator angegeben werden, die für vielseitige Einsatzfälle geeignet ist und die einen verbesserten Wirkungsgrad hinsichtlich der Umwandlung von bereitge- stellter thermischer Energie in elektrische Energie ermöglicht. Dabei soll der thermoelektrische Generator geeignet sein, möglichst flexibel an unterschiedliche Leistungsanforderungen angepasst zu werden. Dabei soll der thermoelektrische Generator geeignet sein, möglichst flexibel an un- terschiedliche Leistungsanforderungen angepasst zu werden. Daneben soll auch noch eine besonders geeignete Möglichkeit zur Fixierung bzw. Verschaltung der Halbleiterelemente in eine thermoelektrische Vorrichtung angegeben werden.

Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie die Integration dieser Vorrichtung in übergeordnete Baueinheiten sind in den abhängig formulierten Patentansprü- chen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung weiter und führt ergänzende Ausführungsbeispiele der Erfindung an.

Ein erfindungsgemäßer thermoelektrischer Generator weist eine Mehrzahl thermoelektrischer Vorrichtungen auf, die von einem Abgas eines Verbrennungsmotors nacheinander durchströmbar angeordnet sind, wo- bei jede thermoelektrische Vorrichtung mindestens einen heißen Strömungspfad für das Abgas und mindestens einen kühlen Strömungspfad für ein Kühlfluid bildet, zwischen denen eine Mehrzahl von p- und n- dotierten Halbleiterelementen gezielt verschaltet und isoliert angeordnet ist, und bei dem bei wenigstens einer thermoelektrischen Vorrichtung wenigstens ein Teil der Halbleiterelemente auf einem flexiblen Medium fixiert sind.

Unter einem thermoelektrischen Generator wird insbesondere eine Gesamtanlage in einem Kraftfahrzeug verstanden, welche eine Mehrzahl von thermoelektrischen Vorrichtungen aufweist. Die thermoelektrischen Vorrichtungen sind dabei insbesondere abgrenzbare Baueinheiten, die von dem Abgas eines Verbrennungsmotors nacheinander vom Abgas durchströmt werden. So sind also beispielsweise mindestens zwei solcher thermoelektrischen Vorrichtungen vorgesehen, möglich ist die Ausgestaltung eines thermoelektrischen Generators aber insbesondere auch mit 3, 4 oder 5 solcher thermoelektrischer Vorrichtungen. Jede dieser thermoelektrischen Vorrichtungen bildet eine Art Wärmetauscher mit einem oder mehreren heißen Strömungspfaden, die das Abgas durch die ther- moelektrische Vorrichtung führen. So sind ein oder mehrere Kühlerströmungspfade vorgesehen, durch die das Kühlfluid durch die thermoelekt- rische Vorrichtung hindurchgeführt wird. Die unterschiedlichen Strömungspfade sind dabei so angeordnet, dass ein Wärmeaustausch zwi- sehen Abgas und Kühlfluid über eine Wärmeaustauschfläche ermöglicht ist. Dazu können die Strömungspfade im Wesentlichen parallel und/oder senkrecht zueinander positioniert sein. Bevorzugt ist dabei beispielsweise, dass ein einzelner großer Strömungspfad vorgesehen ist, der von einer Vielzahl kleineren, zum Beispiel rohrähnlichen, kühlen Strömungspfaden durchsetzt ist. So ist auch gewährleistet, dass das Abgas die kühlen Strömungspfade außen umströmt. In diesem Grenzbereich zwischen heißem Strömungspfad und kaltem Strömungspfad ist nun eine Mehrzahl von p- und n-dotierten Halbleiterelementen vorgesehen. Diese sind teilweise elektrisch so isoliert angeordnet, dass eine gezielte Verschaltung der p- und n-dotierten Halbleiterelemente realisiert ist. Dies wird nachfolgend noch im Detail erläutert. Bei dem hier vorgeschlagenen thermoelektrischen Generator wird davon Abstand genommen, die gesamte Energie des Abgases über eine einzelne Baueinheit einer thermoelektrischen Vorrichtung aufzunehmen. Durch den Einsatz mehrerer thermoelektrischer Vorrichtungen wird ein mehrstufiger thermoelektrischer Generator gebildet, wobei in jeder Stufe eine gezielte Ausnutzung der dort jeweils existierenden thermischen Bedingungen durchgeführt wird. Die einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen sind beispielsweise als Baueinheit gegeneinander elektrisch isoliert, wobei der darin jeweils erzeugte Strom abgeführt wird. Die einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen sind nun so verschaltet, dass im Ergebnis eine Spannung von 12 bis 15 V im Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglicht ist. So können die einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen beispielsweise im Wesentlichen bezüg-

- A - lieh des Aufbaus gleichartig gestaltet werden. Bevorzugt ist dabei, dass die thermoelektrischen Vorrichtungen direkt hintereinander angeordnet sind, also insbesondere keine weitere Komponenten zwischen den einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen (mit Ausnahme gegebenenfalls einer Abgasleitung) angeordnet sind.

Eine thermoelektrische Vorrichtung weist insbesondere zumindest Folgendes auf: wenigstens ein Modul mit einer ersten Trägerschicht und einer zwei- ten Träger schicht, einen Zwischenraum zwischen der ersten Trägerschicht und der zweiten Trägerschicht, eine elektrische Isolationsschicht auf der ersten Trägerschicht und auf der zweiten Trägerschicht hin zum Zwischenraum, - eine Mehrzahl von p- und n-dotierten Halbleiterelementen, die im Zwischenraum zwischen den Isolationsschichten abwechselnd angeordnet und wechselweise elektrisch miteinander verbunden sind.

Die hier vorgeschlagene thermoelektrische Vorrichtung ist insbesondere lagenweise bzw. schichtartig mit insbesondere einer Mehrzahl von (gleichen) Modulen zu einem thermoelektrischen Generator zusammengesetzt. Insbesondere bilden mehrere miteinander verbundene Module eine thermoelektrische Vorrichtung. Dabei ist die thermoelektrische Vorrichtung insbesondere in einem Gehäuse angeordnet, in dem auch mehrere thermoelektrische Vorrichtungen zusammen als Baueinheit zur Bildung eines thermoelektrischen Generators angeordnet sein können. Die thermoelektrische Vorrichtung weist zusätzlich zu dem Modul insbesondere Abdichtungsmittel auf, die den Zwischenraum nach außen abschließen, sowie Anschlusselemente zur Erzeugung eines elektrischen Stromkreises, der den im Modul erzeugten elektrischen Strom an einen Speicher oder Verbraucher eines Kraftfahrzeuges leiten kann. Die Halbleiterelemente sind insbesondere nebeneinander zwischen zwei Trägerschichten angeordnet, die insbesondere die äußere Begrenzung der thermoelektrischen Vorrichtung bilden. Die äußeren Trägerschichten bilden dabei in erster Linie eine Wärmeübergangsschicht, die einen Wärme- Übergang von der thermoelektrischen Vorrichtung zu den die thermo- elektrische Vorrichtung umströmenden Fluiden ermöglicht. Dabei ist die erste/zweite Trägerschicht mit einer sogenannten Heißseite, insbesondere einem Fluid mit erhöhter Temperatur, und die andere (zweite/erste) Trägerschicht mit einer Kaltseite, insbesondere mit einem Fluid niedriger Temperatur, in wärmeleitender Verbindung. Dadurch wird über die ther- moelektrische Vorrichtung ein Temperaturpotential zwischen den Trägerschichten ausgebildet, das in Folge des „Seebeck-Effektes" einen elektrischen Strom durch die wechselweise miteinander verbundenen Halbleiterelemente erzeugt. Die Trägerschichten sind insbesondere wenigstens zum Teil aus Stahl und/oder Aluminium aufgebaut.

Zwischen den Träger schichten ist ein Zwischenraum vorgesehen, in dem die Halbleiterelemente angeordnet sind. Der Zwischenraum weist damit insbesondere nur eine Ausdehnung auf, die im Wesentlichen nur durch eine Höhe und eine Anzahl sowie durch die Anordnung der Halbleiter- elemente vorgegeben ist.

Zur Realisierung eines gezielten Stromflusses durch die p- und n- dotierten Halbleiterelemente weisen die Trägerschichten zumindest teil- weise eine elektrische Isolationsschicht auf, auf der die Halbleiterelemente fixiert und miteinander elektrisch verbunden sind. Als Isolationsschicht kommt insbesondere eine Aluminiumoxidschicht in Betracht. Bei der elektrischen Isolationsschicht ist darauf zu achten, dass diese den Wärmeübergang von einer Außenseite der Trägerschicht hin zu den HaIb- leiterelementen nicht übermäßig behindert. Das kann insbesondere auch dadurch erreicht werden, dass die elektrische Isolationsschicht tatsächlich nur im Bereich der Kontaktfläche der Halbleiterelemente mit der Trägerschicht vorgesehen ist. Jedenfalls ist eine solche elektrische Isolati- onsschicht so dicht auszuführen, dass sie für das elektrische Verbindungsmittel der Halbleiterelemente untereinander nicht durchdringbar ist, und die elektrische Isolationsschicht sicher elektrisch leitende Verbindungen hin zu der Trägerschicht und/oder zu benachbarten Strom- pfaden verhindert. Bei den ersten und zweiten Trägerschichten sind insbesondere unterschiedliche elektrische Isolationsschichten möglich.

Als leitfähige Materialien für die p-dotierten und n-dotierten Halbleiterelemente kann beispielsweise Wismut-Tellurit (Bi2Te3) eingesetzt werden. Darüber hinaus könnten folgende Materialien [bis zu folgenden maximalen Temperaturen in C] eingesetzt werden:

n-Typ: Bi2Te3 [ca. 250 C];

PbTe [ca. 500 C]; BaO,3Co3,95NiO,05Sbl2 [ca. 600 C];

Bay(Co,Ni)4Sbl2 [ca. 600 C];

CoSb3 [ca. 700 C];

Ba8Gal6Ge30 [ca. 850 C];

La2Te3 [ca. HOO C]; SiGe [ca. 1000 C];

Mg2(Si,Sn) [ca. 700 C]; p-Typ: (Bi,Sb)2TE3 [ca. 200 C];

Zn4Sb3 [ca. 380 C];

TAGS [ca. 600 C]; PbTe [ca. 500 C];

SnTe [ca. 600 C];

CeFe4Sbl2 [ca. 700 C];

Ybl4MnSbl l [ca. 1000 C];

SiGe [ca. 1000 C]; Mg2(Si,Sb) [ca. 600 C].

Bei dieser thermoelektrischen Vorrichtung werden also die zwei Trägerschichten zur Begrenzung des Zwischenraums genutzt und für einen Wärmeübergang hin zu den Halbleiterelementen. Die Halbleiterelemente können dabei bspw. nach Art von kleinen Quadern und/oder kleinen länglichen Stäbchen aus unterschiedlich elektrisch leitfähigem Material bereitgestellt sein. Jeweils zwei unterschiedliche Halbleiterelemente (p- dotiert und n-dotiert) sind so miteinander elektrisch verbunden, dass sie zusammen eine Reihenschaltung ergeben. Eine der beiden Trägerschichten nimmt den einfließenden Wärmestrom auf (Heißseite), während die andere Trägerschicht den ausfließenden Wärmestrom abgibt (Kaltseite). Im Hinblick auf das Design der Anordnung bzw. Verschaltung der einzel- nen Halbleiterelemente können Art und/oder Gestalt und/oder Position der Halbleiterelemente an den Bauraum, den Wärmefluss, die Stromführung etc. angepasst sein, wobei sie sich insbesondere auch hierbei unterscheiden können. Insbesondere weist die thermoelektrische Vorrichtung eine oder mehrere Gruppen von miteinander in Reihe geschalteten HaIb- leiterelementen auf, wobei die Gruppen jeweils voneinander unabhängige Stromkreise aufweisen oder miteinander über eine elektrische Parallelschaltung verbunden sind.

Erfindungsgemäß ist der thermoelektrische Generator, wenn bei wenigs- tens einer thermoelektrischen Vorrichtung wenigstens ein Teil der Halbleiterelemente auf einem flexiblen Medium fixiert sind. Beim Betrieb eines solchen thermoelektrischen Generators entsteht ein signifikantes Temperaturgefälle zwischen den heißen Strömungspfaden und den kühlen Strömungspfaden, was für die Erzeugung von Energie über die Halbleiter- demente sehr vorteilhaft ist. Gleichzeitig ist aber auch zu berücksichtigen, dass der Betrieb des Verbrennungsmotors eine dynamische, stark variierende Temperaturverteilung in dem thermoelektrischen Generator zur Folge hat. Auch während der Startphase bzw. nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors werden signifikante Temperaturen und Unter- schiede erreicht. Daraus resultiert, dass die Bauteile des thermoelektrischen Generators der thermoelektrischen Vorrichtung ein teilweise sehr verschiedenes thermisches Ausdehnungsverhalten aufzeigen. Dies kann dazu führen, dass insbesondere die Halbleiterelemente Spannungen aus- gesetzt werden und damit die Gefahr besteht, dass diese relativ spröden Materialien beschädigt werden. Um dies zu verhindern wird vorgeschlagen, dass bezüglich wenigstens eines Teils der Halbleiterelemente ein flexibles Medium zur Fixierung vorgesehen ist. Als flexibles Medium können beispielsweise federnde und/oder komprimierbare Materialien eingesetzt werden. So können beispielsweise Schäume, Vliese oder ähnliche Medien eingesetzt werden. Weiterhin ist bevorzugt, dass dieses flexible Medium selbst wärmeleitend ausgeführt ist, so dass eine gute Wärmeleitung von der Heißseite bzw. der Kaltseite hin zu den Halbleiterelementen gewähr- leistet ist. Weiterhin kann das so flexible Medium auch so gestaltet sein, dass konkrete Strompfade für eine Verschaltung der Halbleiterelemente eingearbeitet sind. Hierzu können separate Stromleiter und/oder geeignete Isolationsmaterialien eingesetzt werden. Das flexible Medium ist dabei so gewählt, dass während des Betriebs eine elastische Verformung des flexiblen Mediums stattfindet, so dass die unterschiedlichen thermischen Dehnungen der Materialien nun kompensiert werden und im Wesentlichen ein konstanter Druck auf die Halbleiterelemente eingestellt ist.

Weiter ist bevorzugt, dass die Halbleiterelemente wenigstens teilweise mit einem Druckmedium beaufschlagbar sind. Das Druckmedium kann insbesondere dazu genutzt werden, die während des Betriebes erfolgte Kompression an flexiblen Medien wieder rückgängig zu machen. Als Druckmedium kommt insbesondere eine Flüssigkeit in Betracht, beispielsweise ein Öl. Das Druckmedium weist insbesondere auch eine hohe Wärmeleit- fähigkeit auf, hat aber bevorzugt keine elektrische Leitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit des Druckmediums gewährleistet wiederum einen Wärmetransport von der Eisseite bzw. Kaltseite hin zu den Halbleiterelementen, die Eigenschaft als elektrischer Isolator stellt gleichzeitig sicher, dass keine unerwünschten elektrischen Verbindungen von Halbleiterele- menten realisiert werden. Das Druckmedium kann bei einer Kompression des flexiblen Mediums in ein entsprechendes Ausgleichsvolumen strömen und wird durch die Bereitstellung eines entsprechenden Drucks, zum Beispiel über eine Pumpe oder eines entsprechenden Druckbehälters, wieder in das flexible Medium eingeführt, wenn die thermischen Spannungen abgebaut werden.

Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass das hier offenbar- te Konzept der Fixierung der Halbleiterelemente auf einem flexiblen Medium, gegebenenfalls mit Unterstützung von einem Druckmedium, auch unabhängig vom Bau des thermoelektrischen Generators eingesetzt werden kann, also beispielsweise für eine beliebige andere, zum Beispiel hier vorgestellte „Variante" der thermoelektrischen Vorrichtung. So kann die Fixierung eines Halbleiterelements beispielsweise derart stattfinden, dass das Halbleiterelement zunächst auf einer Diffusionssperre angeordnet ist, unter der sich Lotmaterial (zum Beispiel auch als Stromleiter) befindet. Mittels des Lotes ist das Halbleiterelement an dem flexiblen Druckmedium (zum Beispiel einem Schaummaterial oder dergleichen) fixiert. Dieses flexible Medium wird über Lotmaterial an der Wand des Strömungspfades (und zum Beispiel einem Innenrohr und/oder Außenrohr) fixiert. Das flexible Medium ist dabei in der Lage, Differenz dehnungen in axialer und/oder radialer Richtung bezüglich dieses Verbundes zu kompensieren, wobei die Rückstellkraft bzw. der Maximaldruck dieses Verbundes über ein entsprechendes Druckmedium (zum Beispiel ein Öl) eingestellt wird. Dieser Druck ist während des Betriebs der thermoelektrischen Vorrichtung bevorzugt im Wesentlichen gleich.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der thermoelektri- sehen Vorrichtung ist zumindest ein Teil der Halbleiterelemente kreisringförmig ausgestaltet und jeweils mit einer äußeren Umfangsf lache und einer inneren Umfangsfläche mit der elektrischen Isolations Schicht verbunden. Der Begriff „kreisringförmig,, meint damit, dass das Halbleiterelement zumindest einen Abschnitt eines Kreisrings bildet. Derartig ge- formte Halbleiterelemente sind insbesondere für zumindest teilweise rohrförmige thermoelektrische Vorrichtungen vorzuschlagen. Dabei bilden die Trägerschichten die äußere Umfangsfläche und die innere Umfangsfläche eines Rohres, so dass eine Doppelrohrwand gebildet ist, in dessen Zwischenraum die Halbleiterelemente angeordnet sind. Eine derart aufgebaute thermoelektrische Vorrichtung wird von einem Fluid durch einen von der inneren Umfang sfläche des Rohres gebildeten Kanal durchströmt und von einem anderen Fluid auf der äußeren Umfangsflä- che überströmt, so dass ein Temperaturpotential über die Doppelrohrwand erzeugbar ist. Die Halbleiterelemente sind innerhalb der Doppelrohrwand angeordnet und insbesondere umlaufend geschlossen in Form eines Kreisringes ausgeführt. Die Halbleiterelemente können insbesondere auch die Form eines Kreisringsegmentes aufweisen. Auch hier sind die Halbleiterelemente nebeneinander bzw. hintereinander entlang einer axialen Richtung des Rohres angeordnet. Eine kreisringförmige bzw. kreis- ringsegmentförmige Ausgestaltung der Halbleiterelemente ist bevorzugt, da zwischen nebeneinander angeordneten zylindrischen oder quaderförmigen Halbleiterelementen auf einer gebogenen Fläche Spalte zwischen den Halbleiterelementen erzeugt werden, die in radialer Richtung sich erweitern und damit eine geringere Volumenausnutzung des Zwischenraums gegeben ist. Die Kreisringform kann dabei insbesondere einer Kreisform entsprechen, es sind aber ovale Ausführungsformen möglich. Im Hinblick auf die Verschaltung hier beispielsweise auch möglich, dass die Halbleiterelemente eine 180 -Kreisringform aufweisen, die dann versetzt/abwechselnd miteinander elektrisch verbunden sind.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der thermoelektrischen Vorrichtung sind die p- und n-dotierten Halbleiterelemente auf der elektrischen Isolationsschicht durch ein Lotmaterial miteinander elektrisch verbunden, wobei zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: a) die p- und n-dotierten Halbleiterelemente weisen jeweils gleich große Stromübergangsflächen auf; b) das Lotmaterial weist eine Lotdicke auf und das Verhältnis von einer Höhe der Halbleiterelemente zu der Lotdicke ist größer als 5 : 1; c) das Lotmaterial ist ein Element aus der Gruppe Aktivlot, Silberlot. Bevorzugt ist dabei, dass die zur Fixierung der Halbleiterelemente dienenden Lötpunkte bzw. Lötflächen die Kontaktfläche der Halbleiterelemente mit der Isolationsschicht nicht überschreitet. Das Lotmaterial wird bevorzugt dadurch aufgebracht, dass auf die elektrische Is olations Schicht an den gewünschten Stellen ein Haftmittel aufgedruckt wird, um die Trägerschichten dann mit pulverförmigem Lotmaterial in Kontakt zu bringen, welches an diesen vorgegebenen Haftmittelstellen haften bleibt. Die Körnung des Lotmaterials ist dabei so zu wählen, dass genau soviel Lotmaterial zur Verfügung gestellt wird, dass die gewünschte durch das Lotmaterial gebildete Kontaktfläche ausgebildet wird. Dabei weisen die Halbleiterelemente auf jeder ihrer Kontaktflächen gleich große Stromübergangsflächen auf, welche durch die mit Lotmaterial versehenen Bereiche der Kontaktflächen des Halbleiterelementes definiert sind. Dadurch werden möglichst identische Übergangswiderstände zwischen den Halbleiterelementen und den als Leiterbahn fungierenden Lotmaterialien erreicht. Insbesondere bei kreisringförmig oder kreisringsegmentförmig ausgestalteten Halbleiterelementen sowie bei Halbleiterelementen mit unterschiedlich großen Kontaktflächen ist vorgesehen, gleich große Stromübergangsflächen vorzusehen. Dabei ist die äußere Umfangsfläche des Halbleiter demente s regelmäßig größer als die innere Umfangsfläche. Dementsprechend können die äußeren Stromübergangsflächen schmaler ausgeführt sein gegenüber den Stromübergangsflächen, die an der inneren Umfangsfläche der Halbleiterelemente angeordnet sind. Dies ist insbesondere vorteilhaft für den Herstellungsprozess der thermoelektri- sehen Vorrichtung, bei der die Positionierung der Leiterbahnen auf der einen Trägerschicht mit den Leiterbahnen auf der anderen Trägerschicht derart abgestimmt sind, dass eine wechselweise elektrische Verbindung der Halbleiterelemente erreicht wird, so dass eine Reihenschaltung durch die thermoelektrische Vorrichtung erzeugbar ist. Die somit mögliche Re- duzierung der Breite der Stromübergangsfläche ermöglicht daher die Aufweitung der Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Leiterbahnen durch das Aufbringen von Lotmaterial und bei der Montage der einzelnen Komponenten. Somit können Herstellungsfehler und Herstel- lungskosten in der Produktion der vorgeschlagenen thermoelektrischen Vorrichtung in deutlichem Maße reduziert werden.

Die eingesetzten Halbleiterelemente weisen bevorzugt eine Höhe von 1 bis 5 mm auf. Dies führt zu einer besonders kompakten Ausgestaltung der thermoelektrischen Vorrichtung und gewährleistet auch eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen den Trägerschichten über den Zwischenraum hinweg. Regelmäßig werden alle Halbleiterelemente die gleiche Höhe aufweisen. Dabei beträgt das Verhältnis der Höhe der HaIb- leiterelemente zu der Lotdicke insbesondere mehr als 10 zu 1, bevorzugt mehr als 20 zu 1 und besonders bevorzugt mehr als 50 zu 1. Durch die Begrenzung der Lotdicke wird ebenfalls eine kompakte Bauform der thermoelektrischen Vorrichtung gefördert.

Bevorzugt ist das Lotmaterial aus der Gruppe Aktivlot, Silberlot und insbesondere aus den Lotmaterialien gemäß der Europäischen Norm EN 1044 : 1999 auszuwählen: AG301, AG302, AG303, AG304, AG3O5, AG306, AG307, AG308, AG309, AG351, AG401, AG402, AG403, AG501, AG5O2, AG5O3, AGlOl, AG102, AG103, AG104, AG105, AG106, AG107, AG108, AG201, AG202, AG203, AG204, AG2O5, AG206, AG207, AG208. Ggf. können unter Berücksichtigung des Anwendungsfalls selbstverständlich auch andere auf die Halbleitermaterialien abgestimmte, hochtemperaturbeständige Lote eingesetzt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der thermoelektrischen Vorrichtung sind eine erste Kontaktfläche zwischen der ersten Trägerschicht und dem Halbleiterelement und eine zweite Kontaktfläche zwischen der zweiten Trägerschicht und dem Halbleiterelement über die elektrische Isolationsschicht unterschiedlich groß und weisen ein Verhältnis der ersten Kontaktfläche zu der zweiten Kontaktfläche von bis zu 1 : 3 auf. Dabei sind die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche jeweils definiert als die Fläche des Halbleiterelementes, die mit der ersten bzw. zweiten Trägerschicht über die elektrische Isolationsschicht oder über das Lotmaterial verbunden ist. Durch die unterschiedliche Ausführung der ersten und zweiten Kontaktfläche wird ebenfalls eine höhere Produktivität der Fertigung der thermoelektrischen Vorrichtung ermöglicht. Hierdurch erhöht sich die für die Kontaktierung durch das Lotmaterial vorge- sehene Fläche des Halbleiterelementes, so dass Fertigungstoleranzen großzügiger ausgeführt werden können und dementsprechend eine sichere und fehlerfreie Produktion der thermoelektrischen Vorrichtung gewährleistet ist. Insbesondere weist dabei bei einer rohrförmigen Ausgestaltung des Moduls ein Halbleiterelement eine größere äußere Kontaktflä- che auf. Die Halbleiterelemente können dementsprechend eine sich nach außen erweiternde Form (insbesondere eine Konizität) aufweisen, durch die eine derartig unterschiedliche Kontaktfläche gewährleistet ist. Weiterhin kann durch die kreisringförmige bzw. kreisringsegmentförmige Ausbildung des Halbleiterelementes eine derartige Bedingung erfüllt werden. Insbesondere ist die größere Kontaktfläche regelmäßig an der von einem Gasstrom überströmten Trägerschicht angeordnet. Bei der Anordnung der thermoelektrischen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug, bei der die erste Trägerschicht mit einer Heißseite verbunden ist und damit von einem Abgasstrom überströmt wird und bei der die zweite Trägerschicht mit einer Kaltseite verbunden ist und insbesondere von einer Kühlflüssigkeit überströmt wird, ist die erste Kontaktfläche größer als die zweite Kontaktfläche auszubilden. Dies ist durch den höheren Wärmeübergangswiderstand an der von dem Gasstrom überströmten ersten Trägerschicht begründet. Die von der Kühlflüssigkeit überströmte zweite Trä- gerschicht kann die Wärme besser leiten, so dass hier die kleinere zweite Kontaktfläche vorgesehen werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Nutzvolumen des Moduls als Verhältnis von der Summe von Volumen der Halbleiter- demente in dem Modul zu einem gekapselten Volumen des Moduls definiert und das Nutzvolumen größer als 90 %. Das gekapselte Volumen des Moduls wird insbesondere durch die äußeren Trägerschichten und ggf. weiteren Wandungen der thermoelektrischen Vorrichtung bzw. des Mo- duls definiert. Bevorzugt sollte der Zwischenraum zwischen den Trägerschichten daher möglichst vollständig durch die Halbleiterelemente ausgefüllt sein. Das Nutzvolumen sollte daher insbesondere größer 95 % bevorzugt größer 98 % sein. Dies wird insbesondere durch ringförmige HaIb- leiterelemente erreicht, die in Umfang srichtung keine Trennebenen aufweisen und dementsprechend ein hohes Nutzvolumen der thermoelektri- schen Vorrichtung bzw. des Moduls ermöglichen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der thermoelektrischen Vorrichtung weisen die Halbleiterelemente an einander zugewandten Seitenflächen eine elektrische Isolierung auf, wobei die elektrische Isolierung insbesondere durch eine Schicht aus Glimmer oder Keramik gebildet wird. Als Glimmer ist eine Gruppe von Schichtsilicaten bezeichnet. Dabei werden Spalte zwischen den Halbleiterelementen durch Glimmer oder Keramik in Form von Füllmaterial oder in Form einer Beschichtung ausgefüllt. Bevorzugt kann diese Isolierung bereits vor dem Montageprozess der thermoelektrischen Vorrichtung auf die Halbleiterelemente aufgebracht werden, so dass die Halbleiterelemente mit einer hohen Packungsdichte auf den Trägerschichten bzw. elektrischen Isolationsschichten an- geordnet werden können und sich gegeneinander abstützen. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Luftspalt zwischen den Halbleiterelementen, der sich fertigungstechnisch nur schwer einstellen lässt, ist damit hier nicht nötig. Hier wird die Isolierung der Halbleiterelemente untereinander so durch eine gesonderte Schicht bewirkt, so dass die Halbleiterelemente in Form der Reihenschaltung ausschließlich über die Lotmaterialien elektrisch miteinander verbunden sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die Isolierung zwischen den Seitenflächen der Halbleiterelemente eine Isolierungsweite von weniger als 50 μm aufweist, bevorzugt weniger als 20 μm und besonders bevorzugt weniger als 5 um. Auch diese Maß- nähme führt zu einer kompakten Bauform der thermoelektrischen Vorrichtung und ebenfalls zu einer vereinfachten Herstellung. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der thermoelektri- schen Vorrichtung weist die erste Trägerschicht eine erste Dicke zwischen 20 μm und 500 μm, bevorzugt zwischen 40 μm und 250 μm auf. Dabei ist die erste Trägerschicht während des Betriebes der thermoelekt- rischen Vorrichtung insbesondere auf der Heißseite angeordnet.

Insbesondere weist nur die erste Trägerschicht zumindest ein axiales Kompensationselement auf, das eine Wärmedehnung des Moduls in einer axialen Richtung ausgleicht. Das axiale Kompensationselement kann z. B. nach Art eines Faltenbalges oder gemäß einer wellenförmigen Ausbuchtung ausgeführt sein, so dass eine Stauchung bzw. Dehnung in diesem Bereich ermöglicht wird und damit die infolge des Temperaturunterschiedes bewirkte unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen der ersten Trägerschicht (Heißseite) und der zweiten Trägerschicht (Kaltseite) kompensiert wird.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die zweite Trägerschicht eine zweite Dicke zwischen 200 μm und 1,5 mm, insbesondere zwischen 400 μm und 1,2 mm aufweist. Durch diese gegenüber der ersten Dicke wesentlich stärker ausgeführten zweiten Dicke wird die Formstabilität der thermo- elektrischen Vorrichtung bzw. des Moduls gewährleistet.

Vorteilhafterweise weist die zweite Trägerschicht ein Material auf, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die erste Trägerschicht hat, so dass die zweite Trägerschicht trotz der größeren zweiten Dicke dennoch eine vergleichbare Wärmeabführung zeigt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der thermoelektrischen Vorrichtung sind mehrere axiale Kompensationselemente in Abständen von jeweils höchstens 10 mm in einer axialen Richtung vorgesehen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das wenigstens eine Modul zumindest ein axiales Kompensationselement auf, das gebil- det wird durch zumindest mehrere in einer axialen Richtung schräg angeordnete Halbleiterelemente, so dass eine Wärmeausdehnung des Moduls in einer axialen Richtung zumindest teilweise in eine Wärmeausdehnung des Moduls in einer radialen Richtung umgewandelt wird. Durch die Schrägstellung der Halbleiterelemente in einer axialen Richtung kann in Folge einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung der ersten Trägerschicht im Vergleich zur zweiten Trägerschicht eine Relativbewegung dieser Trägerschichten durch eine Änderung der Schräglage der Halbleiterelemente kompensiert werden. Dadurch wird anstatt einer einseitigen Längenänderung des Moduls eine radiale Ausdehnung bewirkt. Dabei sind die zumindest mehreren Halbleiterelemente zumindest dann schräg in der axialen Richtung angeordnet, während die thermoelektrische Vorrichtung außer Betrieb ist. Während des Betriebes richten sich die Halbleiterelemente infolge der axialen Wärmeausdehnung so auf, dass die Halblei- terelemente insbesondere senkrecht zu den Trägerschichten bzw. der axialen Richtung angeordnet sind. Diese radiale Wärmeausdehnung kann zu einer Einschränkung eines an die äußeren Träger schichten angrenzenden, von einem Fluid durchströmten, Querschnitt führen, wobei hierdurch ebenfalls eine Steuerung des Fluid- Volumenstroms entlang der Trägerschichten möglich wird. Dementsprechend können Fluidströme in einem thermoelektrischen Generator mit einer Vielzahl von thermoelekt- rischen Vorrichtungen und einer Mehrzahl von einem Fluid durchströmten Kanälen bzw. überströmten Trägerschichten insbesondere selbstregelnd gesteuert werden, dass eine gleichmäßige Verteilung der verfügba- ren Wärmeleistung im Fluidstrom über alle verfügbaren Oberflächen der thermoelektrischen Vorrichtungen gewährleistet bzw. gefördert wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Kompensation der Wärmeausdehnung durch Materialien für die Trägerschichten bewirkt, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die Trägerschicht der Heißseite weist einen entsprechend geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und die Trägerschicht der Kaltseite einen entsprechend hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung der thermoelektrischen Vorrichtung sieht vor, dass zumindest eine Mehrzahl von Modulen in einer axialen Richtung miteinander verbindbar sind. Dadurch ist eine An- passung der thermoelektrischen Vorrichtung an vorher festgelegte Leistungsanforderungen möglich. Dies hat insbesondere Vorteile für die Herstellung und Bereitstellung von thermoelektrischen Vorrichtungen für die unterschiedlichen Anwendungsfälle. Dabei werden die Module untereinander insbesondere zumindest durch eine Lotverbindung miteinander verbunden, wobei insbesondere voneinander isolierte elektrische Leiterbahnen vorzusehen sind, die eine elektrische Reihenschaltung der Halbleiterelemente der einzelnen Module ermöglichen. Insbesondere ist dabei auch eine fluiddichte Verbindung der einzelnen Module untereinander zu erzeugen, so dass insbesondere korrosiv wirkende Umgebungsmedien, z.B. ein Abgas, nicht in die Bereiche zwischen zwei Modulen eindringen können. Für diese Verbindung von zumindest einer Mehrzahl von Modulen ist insbesondere eine rohrförmige Ausgestaltung der Module zu bevorzugen.

In vorteilhafter Weise kann ein Modul einen Füllstoff aufweisen, der den Zwischenraum zwischen den Trägerschichten gegenüber Umgebungsmedien bzw. Fluiden, insbesondere einem Kühlkreislauf oder einem Abgas, abdichtet. Insbesondere können auch die Trägerschichten den Zwischenraum abdichten, indem die erste Trägerschicht und die zweite Träger- schicht eine (direkte) Verbindung miteinander ausbilden. Bei einer Anordnung mehrerer Module hintereinander werden aber bevorzugt erste Trägerschichten mit ersten Trägerschichten und/oder zweite Trägerschichten mit zweiten Trägerschichten verbunden, so dass die elektrischen Leiterbahnen innerhalb jedes einzelnen Moduls mit den Leiterbah- nen des benachbarten Moduls verbindbar sind, ohne dass eine Trägerschicht durch eine Leiterbahn durchdrungen werden muss. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist ein thermoelekt- rischer Apparat eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen thermoelektri- schen Vorrichtungen auf, wobei die erste Trägerschicht mit einer Heißseite und die zweite Trägerschicht mit einer Kaltseite verbunden ist.

Ganz besonders bevorzugt wird hier ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einer Abgasanlage, einem Kühlkreislauf und einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen thermoelektrischen Vorrichtungen vorgesehen, wobei die erste Trägerschicht mit einer Heißseite und die zweite Träger Schicht mit einer Kaltseite verbunden sind und wobei bei dem Kraftfahrzeug die Abgasanlage mit der Heißseite und der Kühlkreislauf mit der Kaltseite verbunden ist.

Weiter ist ein thermoelektrischer Generator bevorzugt, bei dem der min- destens einen kühlen Strömungspfad vom Abgas außen umströmt werden. Bei dieser Ausgestaltung wird insbesondere davon ausgegangen, dass der kühle Strömungspfad zum Beispiel nach Art eines Rohres gebildet ist. Das Kühlfluid durchströmt dabei innen das Rohr, wobei das Abgas außen um das Rohr herum strömt. Bei dieser Anordnung ist gewähr- leistet, dass dem heißen Abgas die größere Oberfläche für den Kontakt bzw. die Wärmeleitung zu den Halbleiterelementen zur Verfügung steht. Damit kann insbesondere der schlechtere Wärmeübergang vom Abgas hin zu den Halbleiteelementen über die äußere Wand kompensiert werden.

Entsprechend einer Weiterbildung des thermoelektrischen Generators, kann dieser so ausgestaltet sein, dass die thermoelektrischen Vorrichtungen mit gegeneinander isolierten Gehäusen ausgeführt und über einen DCDC-Wandler miteinander verschaltet sind. Bei einem solchen thermoelektrischen Generator kann der Fall eintreten, dass die einzelnen ther- moelektrischen Vorrichtungen jeweils unterschiedliche Spannungen während des Betriebes generieren. Dies kann beispielsweise dadurch reduziert werden, dass die einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen mit verschiedenen Arten von Halbleiterelementen ausgeführt sind, so dass diese auf die jeweils in der thermoelektrischen Vorrichtung zu erwartenden Abgastemperaturen angepasst sind, so beispielsweise einen entsprechenden temperaturabhängigen Wirkungsgrad aufweisen. Gleichwohl kann es hierbei noch zu Unterschieden kommen, wobei eine negative Be- einflussung der miteinander elektrisch verschalteten thermoelektrischen Vorrichtungen durch den Einsatz wenigstens eines DCDC-Wandlers vermieden wird. Unter einem DCDC-Wandler wird insbesondere ein Gleichstromsteller verstanden. Selbstverständlich können ähnliche Elemente eingesetzt werden, die dem gleichen Zweck dienen.

Der thermoelektrische Generator kann auch so ausgeführt werden, dass die thermoelektrischen Vorrichtungen jeweils mit Halbleiterelementen unterschiedlichem temperaturabhängigen Wirkungsgrad gebildet sind. Hierbei ist bevorzugt, dass jede thermoelektrische Vorrichtung jeweils mit einer (einzigen) Art von Paarungen von Halbleiterelementen ausgeführt ist. Diese Paarung ist insbesondere so ausgewählt, dass die Halbleiterelemente für den im Betrieb der thermoelektrischen Vorrichtung herrschenden Temperaturen einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen. In Anbetracht der zu erwartenden Abgastemperaturen bzw. der Lage der thermoelektrischen Vorrichtungen, können einzelne oder alle thermoelektrischen Vorrichtungen jeweils eine andere Paarung von Halbleiterelementen aufweisen, die der dort jeweils herrschenden Temperaturen Rechnung tragen. So können beispielsweise nahe des Eintritts des Abgases in den thermoelektrischen Generator Halbleiterelemente vorgesehen sein, die ihren optimalen Wirkungsgrad im Bereich oberhalb von 25O C aufweisen, während beispielsweise in zuletzt durchströmten Teilen des thermoelektrischen Generators Halbleiterelemente bereitgestellt sind, die bei ca. 8O C bis 100 C ihren optimalen Wirkungsbereich haben. Dadurch kann der Gesamtwirkungsgrad des thermoelektrischen Generators ver- bessert werden.

Ein thermoelektrischer Generator, bei dem wenigstens ein Kühler nach den thermoelektrischen Vorrichtungen vorgesehen ist, der vom Kühlfluid durchströmt wird, wird ebenfalls bevorzugt. In besonderen Anwendungsfällen kann es sinnvoll sein, wenn der thermoelektrische Generator durch einen abschließenden Kühler ergänzt wird. Dabei kann der Kühler zum Beispiel analog zu der thermischen Vorrichtung ausgeführt sein, wobei keine Halbleiterelemente mehr vorgesehen sind. Die Anordnung der heißen und kühlen Strömungspfade kann so ebenso wie die äußere Gestalt des Kühlers beibehalten werden. Gegebenenfalls ist es auch möglich, dass für den Kühler und die thermoelektrischen Vorrichtungen dasselbe Kühlfluid verwendet wird bzw. ein gemeinsamer Kühlfluid-Kreislauf ge- bildet ist. Damit werden die Kompaktheit dieser Abgasbehandlungseinheit sowie eine reduzierte Teile-Vielfalt bewahrt.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung aufzeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:

Fig. 1: eine Ausführungsvariante eines thermoelektrischen Apparates in einem Kraftfahrzeug;

Fig. 2: eine Ausführungsvariante eines Moduls einer thermoelektrischen Vorrichtung;

Fig. 3: eine Ausführungsvariante eines Halbleiterelementes;

Fig. 4: eine weitere Ausführungsvariante eines Moduls einer thermoelektrischen Vorrichtung;

Fig. 5: eine weitere Ausführungsvariante eines Halbleiterelementes;

Fig. 6: eine Ausführungsvariante einer thermoelektrischen Vorrichtung; Fig. 7: ein Detail einer Ausführungsvariante eines Moduls;

Fig. 8: eine Ausführungsvariante eines mehrstufigen Generators; und

Fig. 9: ein Detail einer Fixierung des Halbleiterelements.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsvariante eines thermoelektrischen Apparates 33 in einem Kraftfahrzeug 34 mit einem Verbrennungsmotor 35 und einer Abgasanlage 36, in der ein zweites Fluid 23, insbesondere ein Abgas, mit einer erhöhten Temperatur durch den thermoelektrischen Apparat 33 hindurchströmt. Der thermoelektrische Apparat 33 weist eine Vielzahl von thermoelektrischen Vorrichtungen 1 mit Modulen 2 auf. Diese Module 2 werden auf einer Heißseite 38 von dem zweiten Fluid 23 überströmt und auf einer Kaltseite 39 von einem ersten Fluid 14, das einem Kühlreis- lauf 37 zugeordnet ist. Die Heißseite 38 der thermoelektrischen Vorrichtung 1 wird durch eine erste Trägerschicht 3 des Moduls 2 begrenzt. Ebenso wird die Kaltseite 39 durch eine zweite Trägerschicht 4 des Moduls 2 begrenzt. In dem Zwischenraum 5 zwischen erster Trägerschicht 3 und zweiter Trägerschicht 4 sind Halbleiterelemente 7 angeordnet. Wei- terhin ist in Fig. 1 das gekapselte Volumen 19 eines Moduls 2 gezeigt, das hier durch die erste Trägerschicht 3 und die zweite Trägerschicht 4 begrenzt bzw. eingeschlossen wird.

Fig. 2 zeigt ein Detail einer Ausführungsvariante eines Moduls 2 einer thermoelektrischen Vorrichtung 1. Dabei ist das Modul 2 dargestellt mit einer ersten Trägerschicht 3 und einer zweiten Trägerschicht 4, die zwischen sich einen Zwischenraum 5 aufweisen, in dem die Halbleiterelemente 7 wechselweise als n- und p-dotierte Halbleiterelemente angeordnet sind. Diese Halbleiterelemente 7 sind wechselweise elektrisch mitein- ander durch Lotmaterial 10 verbunden, so dass sich eine Reihenschaltung der n- und p-dotierten Halbleiterelemente ergibt. Das Lotmaterial 10 weist hier eine Lotdicke 12 auf. Das Lotmaterial 10 ist gegenüber der ersten Trägerschicht 3 bzw. zweiten Trägerschicht 4 durch eine elektrische Iso- lationsschicht 6 beabstandet, die eine Isolationsschichtdicke 26 aufweist. Die erste Trägerschicht 3 weist hier eine erste Dicke 27 auf, die insbesondere geringer ausgeführt ist als eine zweite Dicke 28 der zweiten Trägerschicht 4. Zwischen den Halbleiterelementen 7 ist eine Isolierung 21 mit einer Isolierungsweite 22 angeordnet, die einen Übertritt der die Halbleiterelemente 7 durchströmenden Elektronen verhindern soll und dementsprechend die Reihenschaltung der Halbleiterelemente 7 nur über das die Leiterbahnen 42 bildende Lotmaterial 10 gewährleistet. Weiter weist das Modul 2 eine mit Halbleiterelementen 7 beschichtbare Gesamtfläche 25 auf, die durch die äußersten Halbleiterelemente 7 begrenzt wird. Demgegenüber ist die beschichtete Fläche 24 die Summe der Flächenanteile des Moduls 2, die mit Halbleiter dementen 7 beschichtet ist.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante eines Halbleiterelementes 7. Dieses ist hier quaderförmig bzw. stäbchenförmig ausgeführt und weist eine erste Kontaktfläche 15 und eine zweite Kontaktfläche 16 auf, über die das Halbleiterelement 7 mit der ersten Trägerschicht bzw. zweiten Trägerschicht über die elektrische Isolierungsschicht verbunden ist. Weiter weist das Halbleiterelement 7 eine Stromübergangsfläche 11 auf, die durch die Kontaktierung des Halbleiterelementes 7 mit Lotmaterial 10 gebildet wird, durch die die einzelnen Halbleiterelemente innerhalb des Moduls in einer Reihenschaltung miteinander verbunden werden. Das Halbleiterelement 7 weist zudem Seitenflächen 20 auf, die zusammen mit der ersten und zweiten Kontaktfläche 15, 16 das Volumen 18 des Halbleiterele- ments 7 begrenzen. Das Halbleiter element 7 weist zudem eine Höhe 13 auf.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines Moduls 2 einer ther- moelektrischen Vorrichtung 1, wobei hier eine rohrförmige Ausführung der thermoelektrischen Vorrichtung 1 bzw. des Moduls 2 gezeigt ist. Das rohrförmige Modul 2 wird durch einen inneren Kanal 41 insbesondere von einem zweiten Fluid 23 durchströmt. Damit bildet in der hier gezeigten Ausführungsvariante der innere Kanal 41 die Heißseite 38 der ther- moelektrischen Vorrichtung 1. Die Kaltseite 39 der thermoelektrischen Vorrichtung 1 wird von einem ersten Fluid 14 überströmt, so dass sich über die Halbleiterelemente 7 ein Temperaturpotential bildet. Die innere Umfang sfläche des Rohres und damit der innere Kanal 41 wird durch die erste Trägerschicht 3 gebildet, während die äußere Umfangsfläche des Moduls 2 hier durch die zweite Trägerschicht 4 gebildet wird. Zur Begrenzung des Zwischenraums 5 und zum Schutz vor dem Eindringen vor ggf. korrosiv wirkenden Fluiden ist der Zwischenraum 5 durch ein Füllmaterial 40 abgedichtet.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines Halbleiterelementes 7. Dabei ist hier ein ringförmiges Halbleiterelement 7 gezeigt mit einer äußeren Umfangsfläche 8 und einer inneren Umfangsfläche 9. Dieses Halbleiterelement 7 ist insbesondere geeignet zum Einsatz in einer rohrförmi- gen thermoelektrischen Vorrichtung z. B. gemäß Fig. 4. Das Halbleiterelement 7 ist dabei über eine erste Kontaktfläche 15 mit der ersten Trägerschicht und mit einer zweiten Kontaktfläche 16 mit einer zweiten Trägerschicht verbunden. Das Halbleiterelement 7 weist weiterhin Seitenflächen 20 sowie eine Höhe 13 auf, die sich zwischen der inneren Umfangs- fläche 9 und der äußeren Umfangsfläche 8 ausbildet. Das ringförmige Halbleiterelement 7 weist eine Stromübergangsfläche 11 auf seiner äußeren Umfangsfläche 15 und eine weitere Stromübergangsfläche auf seiner inneren Umfangsfläche 16 auf, die durch die Kontaktierung mit Lotmaterial 10 gebildet wird.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsvariante einer thermoelektrischen Vorrichtung 1, wobei mehrere Module 2 zu einer thermoelektrischen Vorrichtung 1 miteinander durch Lötverbindungen 43 verbunden sind. Dabei ist insbesondere eine Abdichtung der einzelnen Module 2 gegenüber ggf. korro- siv wirkenden Fluiden zu gewährleisten. Hier sind mehrere Module 2 zu einer thermoelektrischen Vorrichtung 1 verbunden, so dass die thermo- elektrische Vorrichtung 1 an unterschiedlichste Anforderungen hinsichtlich der Bereitstellung von elektrischer Energie bzw. Umwandlung von vorhandener thermischer Energie in elektrische Energie angepasst werden kann. Die einzelnen Module 2 sind über Verbindungsmittel 45 miteinander elektrisch verbunden, so dass eine Reihenschaltung der Halbleiterelemente auch über mehrere Module 2 innerhalb der thermoelektrischen Vorrichtung 1 gewährleistet ist.

Fig. 7 zeigt ein Detail einer bevorzugten Ausführungsvariante eines Moduls 2, wobei hier gegenüber einer axialen Richtung 31 schräggestellte Halbleiterelemente 7 vorgesehen sind, die ein axiales Kompensationsele- ment 29 bilden, so dass eine Wärmeausdehnung 30 in der axialen Richtung 31 durch Veränderung der Schrägstellung der Halbleiterelemente 7 in eine Wärmeausdehnung 30 in radialer Richtung 44 zumindest teilweise umgewandelt werden kann. Weiter sind axiale Kompensationselemente 29 auf der ersten Trägerschicht 3 (Heißseite 38) vorgesehen, die in einem Abstand 32 zueinander angeordnet sind.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsvariante eines mehrstufigen Generators in 33. Diese ist hier mit drei in Strömungsrichtung 52 des Abgases direkten hintereinander angeordneten thermoelektrischen Vorrichtungen 1 ausge- führt. Die elektrothermischen Vorrichtungen bilden einen heißen Strömungspfad 46 für das Abgas, welcher durchsetzt ist von einer Mehrzahl von rohrähnlichen kühlen Strömungspfaden 47, durch die das Kühlfluid hindurchströmt nach Art eines Kreuzstrom-Wärmetauschers. Die einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen 1 sind in Reihe geschaltet, wobei hier auch die DCDC-Wandler 48 vorgesehen sind. In Strömungsrichtung 52 ist den thermoelektrischen Vorrichtungen 1 ein Kühler 49 nachgeordnet, der im Wesentlichen baugleich zu den thermoelektrischen Vorrichtungen 1 gebildet ist, wobei hier jedoch der komplexe Aufbau der kühlen Strömungspfade 47 nicht realisiert ist. Gleichwohl kann eine be- sonders kompakte Ausgestaltung realisiert werden. Der heiße Strömungspfad 46 kann beispielsweise mit den Abmessungen 90 mm x 50 mm ausgeführt sein. Die kühlen Strömungspfade 47 können nach Art von doppelwandigen Rohren mit einem Innendurchmesser von 6 mm und einem Außendurchmesser von 14 mm ausgeführt sein. So können beispielsweise bei Eintritt des Abgases mit einer Temperatur von 500 C und einem Austritt mit einer Temperatur von 8O C etwa 0,1 V im Thermopaar generiert werden, so dass eine Spannung von 12 bis 15 Volt pro thermo- elektrischer Vorrichtung 1 erzielt ist. Die einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen 1 sind dabei gegeneinander elektrisch isoliert.

Fig. 9 zeigt nun ein Detail der Fixierung eines Halbleiterelementes 7, zum Beispiel auf einer Kaltseite 4, bzw. der Innenwandung eines rohrförmig gestalteten kühlen Strömungspfades. Auf dieser Kaltseite 4 ist Lotmaterial 10 vorgesehen, an dem das flexible Medium 50, beispielsweise ein Metallschaum oder ein Sintermaterial, fixiert ist. Das flexible Medium 50 ist verformbar, so dass insbesondere in axialer und/oder radialer Richtung des Strömungspfades Ausgleichsbewegungen ermöglicht sind. Die „Form- Steifigkeit" bzw. das Verformung s verhalten, wird durch ein Druckmedium 51 realisiert, das (gezielt) in das flexible Medium 50 eingebracht werden kann. Bei diesem Druckmedium 51 handelt es sich beispielsweise um ein Öl, welches keine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Bevorzugt ist weiter, dass das flexible Medium 50 und das Druckmedium 51 gute Wärme- leitfähigkeiten aufweisen, so dass ein Wärmeübergang von der Kaltseite 4 hin zum Halbleiterelement 7 gewährleistet ist. Das Halbleiterelement 7 ist über eine Diffusionssperre 53 und Lotmaterial 10 ebenfalls an diesem flexiblen Medium 50 fixiert. Treten nun im Betrieb radiale Spannungen auf, kann das flexible Medium 50 komprimiert werden, wobei das Druckmedium 50 beispielsweise in ein Ausgleichsvolumen austritt. Kühlt die Vorrichtung wieder ab, kann das Schrumpfen dadurch kompensiert werden, dass das Druckmedium 51 wieder in das flexible Medium 50 eintritt und damit eine Ausdehnung des flexiblen Mediums 50 zufolge hat. Bezugszeichenliste

1 Thermoelektrische Vorrichtung

2 Modul

3 Erste Trägerschicht (Heißseite)

4 Zweite Trägerschicht (Kaltseite)

5 Zwischenraum 6 Isolationsschicht

7 Halbleiterelement

8 Äußere Umfang sfläche

9 Innere Umfangsfläche

10 Lotmaterial 11 Stromübergangsfläche

12 Lotdicke

13 Höhe

14 Erstes Fluid

15 Erste Kontaktfläche 16 Zweite Kontaktfläche

17 Nutzvolumen

18 Volumen

19 Gekapseltes Volumen

20 Seitenfläche 21 Isolierung

22 Isolierungsweite

23 Zweites Fluid

24 Beschichtete Fläche

25 Beschichtbare Gesamtfläche 26 Isolationsschichtdicke

27 Erste Dicke

28 Zweite Dicke

29 Axiales Kompensationselement 30 Wärmeausdehnung

31 Axiale Richtung

32 Abstand

33 Thermoelektrischer Generator

34 Kraftfahrzeug

35 Verbrennungsmotor

36 Abgasanlage

37 Kühlkreislauf

38 Heißseite

39 Kaltseite

40 Füllmaterial

41 Innerer Kanal

42 Leiterbahn

43 Lotverbindung

44 Radiale Richtung

45 Anschlusselemente

46 heißer Strömungspfad

47 kühler Strömungspfad

48 DCDC-Wandler

49 Kühler

50 flexibles Medium

51 Druckmedium

52 Strömungsrichtung

53 Diffusionssperre

Claims

Patentansprüche

1. Thermoelektrischer Generator (33) aufweisend eine Mehrzahl ther- moelektrischer Vorrichtungen (1), die von einem Abgas eines

Verbrennungsmotors nacheinander durchströmbar angeordnet sind, wobei jede thermoelektrische Vorrichtung (1) mindestens einen heißen Strömungspfad (46) für das Abgas und mindestens einen kühlen Strömungspfad (47) für ein Kühlfluid bildet, zwischen denen eine Mehrzahl von p- und n-dotierten Halbleiterelementen (7) gezielt verschaltet und isoliert angeordnet ist, und bei dem bei wenigstens einer thermoelektrischen Vorrichtung (1) wenigstens ein Teil der Halbleiterelemente (7) auf einem flexiblen Medium (50) fixiert sind.

2. Thermoelektrischer Generator (33) nach Patentanspruch 1, bei dem die Halbleiterelemente (7) wenigstens teilweise mit einem Druckmedium (51) beaufschlagbar sind.

3. Thermoelektrischer Generator (33) nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem der mindestens einen kühlen Strömungspfad (47) vom Abgas außen umströmt werden.

4. Thermoelektrischer Generator (33) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die thermoelektrischen Vorrichtungen (1) mit gegeneinander isolierten Gehäusen ausgeführt und über einen

DCDC-Wandler (48) miteinander verschaltet sind.

5. Thermoelektrischer Generator (33) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die thermoelektrischen Vorrichtungen (1) jeweils mit Halbleiterelementen (7) unterschiedlichem temperaturabhängigen Wirkungsgrad gebildet sind.

6. Thermoelektrischer Generator (33) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem wenigstens ein Kühler (49) nach den thermoelektrischen Vorrichtungen (1) vorgesehen ist, der vom Kühlfluid durchströmt wird.