JP2012510146A - 熱電発電装置のためのモジュールおよび熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの内管（５）およびその内管（５）の外側周囲に配置される１つの外管（６）と、内管（５）と外管（６）との間に配置される少なくとも１つの熱電発電素子（７）とを有し、内管（５）および外管（６）は、各々、少なくとも１つの熱電発電素子（７）から電気的に絶縁され、さらに、少なくとも１つの導電性の第１の接点（８）が、第１の端部（３）および第２の端部（４）に各々設けられ、その接点は、少なくとも１つの熱電発電素子（７）の導体（９）に対する導電性接続の役割を果たし、流体（２８）または冷却剤（２９）が、第１の端部（３）から第２の端部（４）までモジュールを流れることができる、モジュールに関する。本発明はさらに、熱電発電装置およびそのモジュールの製造方法に関する。
【選択図】図１２

Description

本発明は、流体と冷却剤との間の熱の差から電気エネルギーを発生させるための熱電発電装置のためのモジュールに関し、その流体は特に、自動車の内燃エンジンからの排ガスである。

例えば、バッテリまたは別のエネルギーアキュムレータを充填するため、および／または電気消費機器に必要なエネルギーを直接供給するために、自動車の内燃エンジンからの排ガスは、熱電発電装置によって電気エネルギーに変換される熱エネルギーを有する。従って、自動車を作動させる場合、エネルギーがより多くの範囲まで利用可能である。

このような熱電発電装置の大部分は、適切な場合、複数のモジュール様の熱電変換器素子を有する。熱電材料は、この実際の熱エネルギーを電気エネルギーに変換できるタイプ（ゼーベック効果）またはその逆（ペルチェ効果）である。「ゼーベック効果」は、熱エネルギーの電気エネルギーへの変換の現象に基づき、熱エネルギーを発生させるために使用される。「ペルチェ効果」はゼーベック効果の逆であり、熱吸着によって成される現象であり、異なる材料を流れる電流フローに関して引き起こされる。ペルチェ効果は、例えば、熱電冷却のために既に提案されている。

このような熱電変換器素子は、好ましくは、「加熱側」として知られているものと、「冷却側」として知られているものとの間に配置される複数の熱電素子を有する。熱電素子は、例えば、それらの上側および下側（それぞれ「加熱側」の方、および「冷却側」の方）で、導電性ブリッジに交互に接続されている少なくとも２つの半導体平行６面体（ｐドープおよびｎドープ）を備える。セラミックプレートまたはセラミックコーティングおよび／または同様の材料は、金属ブリッジを絶縁するのに役立ち、従って、好ましくは、金属ブリッジの間に配置される。従って、温度勾配が半導体平行６面体の両側に与えられる場合、電位が生成される。この場合、熱は１つの接触点（「加熱側」）で吸収され、この側の電子は続いて平行６面体の高エネルギー伝導バンド上を通る。次いで、反対側で、電子が、再度、低いエネルギーレベルを有する他の側（冷却側）上を通過するようにエネルギーを放出し得る。従って、適切な温度勾配の場合、電流フローが確立され得る。

特に自動車で使用するための対応する熱電発電装置を提供する試みはすでに行われている。しかしながら、それらの大部分は、製造するのに非常に費用がかかり、比較的大きな全体のサイズにより特徴付けられていた。従って、依然として連続生産での適合性を達成できない。

従って、本発明の目的は、従来技術に関して明らかになった問題を少なくとも部分的に解決することである。特に、モジュール、導体および熱電発生装置が特定され、それらは、個々に、または一緒に、その全体のサイズが、特に自動車において多くの異なる方法に使用され得るような程度まで、自動車の他の構造パーツに適合するという観点で熱電発電装置を構成する。さらに、それらの構成要素は、全体的に変化させずに現在の乗り物の構想に設定でき、特に、既に存在する構成要素に交換可能に組み込むことができる。さらに、そのような熱電発電装置および電気接触における流体と冷却剤の分離に関する現在の問題もまた、解決でき、低い電力損失とともに、熱電発電装置の単純で、強力で、恒久的な使用が可能となる。変換器素子または熱電発電装置のための適切な製造方法もまた、特定される。

これらの目的は、請求項１の特徴によるモジュール、請求項５の特徴による導体、請求項６の特徴による熱電発電装置、および請求項１２の特徴を有する製造方法によって達成される。本発明による装置の有利な改良が、各々の場合、従属の請求項において特定される。請求項に個々に記載される特徴は、任意の技術的手段で互いに組み合わされてもよいことは留意されるべきであり、本発明のさらなる改良を開示する。特に図面と併せて、本発明をより詳細に説明し、本発明の補足的、例示的な実施形態を与える。

熱電発電装置のための本発明によるモジュールは、第１の端部と第２の端部を備えて設計される。さらに、モジュールは、少なくとも１つの内管と、その内管の外側周囲に配置される１つの外管と、さらに、内管と外管との間に配置される少なくとも１つの熱電発電装置とを有し、内管と外管は、各々、少なくとも１つの熱電素子に対して電気的に絶縁される。さらに、少なくとも１つの導電性の第１の接点が、第１の端部および第２の端部に各々設けられ、少なくとも１つの熱電発電素子を導体に導電的に接続するための役割を果たす。さらに、流体または冷却剤は、第１の端部から第２の端部までモジュールを流れることができる。

ここで、モジュールは、特に、細長いまたは管状の構造を有し、内側において、流体または冷却剤が通過する断面を形成する。次いで、熱電発電素子は、内管によって形成されるこのフローダクト周囲に配置され、次いで、外管を介してその周囲を流れる冷却剤または流体と熱的に接触することができる。この場合、内管および外管は、好ましくは、金属製であり、特に、例えば円形または多角形の設計である本質的に同一の断面を有する。モジュールは、好ましくは、少なくとも１５〜４０ｃｍ（センチメートル）の長さを有し、特に、２ｍｍ〜１５ｍｍ（ミリメートル）の内管の内径を有する。内管を囲む外管は、可能な限り外管と同じ程小さいので、全体的に、モジュールは、狭い範囲の構築スペースのみを有する。

冷却剤および熱い流体がモジュールに作用する場合、外管と内管との間に温度差が生じるので、電流が熱電発電素子によって生成されるように、少なくとも１つの熱電発電素子が内管と外管との間に配置される。このように生成され得る電流量は、特に、熱電発電素子の種類、すなわち、特に、特定の温度での熱電発電素子の効率ならびにモジュールの「加熱側」およびモジュールの「冷却側」に広がる温度に依存する。複数またはさらに多数の熱電発電素子は、通常、２つの管の間に配置される。

さらに、熱電発電素子は、第１の端部および第２の端部に設けられる第１の接点に導電的に接続される。その結果、それぞれの熱電発電素子からモジュールの外側の電位に対して生じる電流が生成され得る。従って、生成される電気エネルギーは、バッテリまたは消費機器に移され得る。

モジュールは、流体または冷却剤が内管を流れることができるように設計される。モジュールが熱電発電装置に使用される場合、流体または冷却剤はその外管付近を流れるので、熱電発電素子にわたって外管と内管との間に保有熱が生じる。

モジュールの有利な実施形態によれば、導電性の第１の接点は、外管と内管との間に密封を形成する。このことは、特に、導電性の第１の接点が内管と外管との間に配置される領域において、流体および／または冷却剤に対する密封を形成するので、それらが、内管と外管との間のスペース内に侵入することができないことを意味する。これにより、熱電発電素子の腐食または短絡が生じることが確実に防がれる。たとえ、第１の接点のみが密封を形成することが好ましいとしても、導電性の第１の接点に加えて、第１の端部および／または第２の端部を密封するためのさらなる手段（密封化合物、プラグなど）を設けることが必要な場合もある。

モジュールのさらなる有利な実施形態によれば、少なくとも１つの補償要素が、外管に対する内管の異なる膨張を均一化するために外管に設けられる。ここで、補償要素とは特に、外管と内管との間に高い温度差がある場合、外管に対する内管の異なる（材料および温度依存性）線膨張を補償する役割を果たす、長さを均一にするための手段を意味する。この場合、外管は、特に、補償要素として、蛇腹（ｃｏｎｃｅｒｔｉｎａ）のようなものを有し、その折り畳んだもの（ｆｏｌｄ）は外管の円周面から外側に延びる。この場合、補償要素は特に、モジュールの円周に沿って延びるように設けられ、モジュールは補償要素によって軸部分の領域に細分割される。この場合、特に、補償要素は外管と同一の材料から製造されることが、利点がある。特に、金属合金、例えば、ＷＮ１．４３０１、ＷＮ１．４８２８およびＷＮ１．４６０７（特にＤＩＮ ＥＮ−１００２７−２に従った指定）などの（高合金）クロム／ニッケル鋼、またアルミニウムまたは銅合金が、外管および／または内管のための材料として提供される。材料番号（ＷＮ）１．４８２８の鋼は最大０．２重量％の炭素、１．５〜２．５重量％のシリコン、最大２重量％のマンガン、最大０．０４５重量％のリン、最大０．０３重量％の硫黄、１９〜２１重量％のクロムおよび１１〜１３重量％のニッケルを有する。材料番号１．４３０１の鋼は、最大０．０７重量％の炭素、最大１重量％のシリコン、最大２重量％のマンガン、最大０．０４５重量％のリン、１７〜１９．５重量％クロム、８〜１０．５重量％のニッケルおよび最大０．１１重量％の窒素を有する。外管および内管に使用される材料は特に、内管および外管と、熱い流体または冷たい冷却剤のいずれかとの接触を考慮して、モジュールの適切な設計が達成され得るように異なって選択されてもよい。例えば、異なる熱膨張の材料が使用されてもよいことに配慮すべきである。

モジュールのさらに有利な実施形態によれば、モジュールの長さに沿った補償要素の数が、外管の材料および／または内管の材料の熱膨張係数に応じて、ならびに／あるいは（作動中の）外管と内管との間の温度差に応じて固定される。温度差が高くなるほど、および／または熱膨張係数が高くなるほど（もしくは異なるほど）、多くの補償要素がモジュールの長さに沿って設けられなければならない。

特に、モジュールにおいて、補償要素は、第１の端部および／または第２の端部ならびに／あるいは追加的な補償要素から２ｃｍ〜１０ｃｍの距離で配置される。モジュールに沿って延びる補償要素は、各々の場合、一端から他端の範囲まで３ｃｍ〜５ｃｍの距離で設けられるようにモジュールが構成されることが好ましい。

上述の目的を達成するために、さらに、特に本発明によるモジュールのうちの少なくとも１つのモジュールを電極またはハウジングに導電的に接続するための導体が設けられ、その導体はプレート形状であり、第１の端面および第２の端面を有し、また、連続的な円周面も有する。この場合、第１の端面は、少なくとも１つのオリフィスを介して第２の端面に接続される。少なくとも１つのオリフィスはモジュールを受容するように設けられる。導体は、モジュールの第１の接点を導体に導電的に接続するための導電性の第２の接点を有する。

特に、ここで提案される導体は、第１の端面と第２の端面との間で０．５〜５ｍｍのみの厚さであるように設計され、特に、熱電発電装置における少なくとも１つのモジュールに配置するための支持機能を有さない。導体は、実質的にプレート形状の構成を有し（または円盤もしくは環状の形態で構成される）、特に、電気端子が、オリフィスの領域でその第１の端面および／または第２の端面に設けられ、モジュールの第１の接点を導体に導電的に接続するための導電性の第２の接点として構成される。特に、導電性の第２の接点は、導体のオリフィスの周囲にフランジ様の端子を形成するように設計され、そのフランジ様の端子は、モジュールの内管と外管との間の空間内に押し込まれ得るので、モジュールの円周の少なくとも一部にわたって、それらの端子は、モジュールの導電性の第１の接点に導電的に接続される。結果として、モジュールの熱電発電素子を介して生じる電流は、第１の接点から第２の接点、それによって、導体に移動する。

導体は、好ましくは、熱電発電装置の外管および／または内管および／またはハウジングと同じ材料から製造される。

導体は、モジュールの熱電発電素子を、特に、熱電発電装置の（電気接地として）ハウジングに導電的に接続するのに役立ち、特に、アース端子との導電的接触が可能となる。反対に、例えば、実質的に同一に構成された導体が、（正）電極に導電的に接続されてもよい。

導体はまた、モジュールの熱電素子を、そのプレート状の範囲にわたって、熱電発電装置のハウジングの外側の電流ラインに接続可能な電極に導電的に接続するために設けられてもよい。この目的のために、導体は、ハウジングに対して電気的に絶縁するように配置されてもよい。導体とハウジングとの間の密封または絶縁接続の実施に関して、特に、熱電発電装置のハウジングを通る電極の貫通の封止および絶縁に関して、注意点がドイツ国特許Ａ１−４３０３５８１号に記載され、それは本明細書全体に参照として組み込まれる。その特許文献に記載されるケーシング管は本発明のハウジングと機能的観点で一致し、その特許文献に記載される電極は、本発明において与えられる導体に導電的に接続される。

特に、気体の流体、特に内燃エンジンからの排ガスに関して、熱電発電装置のハウジングを通る電極または電流導体の外側への貫通の封止および／またはハウジング内への導体の貫通の封止が提案される。

本発明のさらなる態様によれば、熱電発電装置は少なくとも以下の構成要素、
本発明による少なくとも１つのモジュールと、
少なくとも１つの流体入口および１つの流体出口と、
少なくとも１つの冷却剤入口および１つの冷却剤出口と、
ハウジングと、
を有して特定され、少なくとも１つのモジュールは、本発明による上記の導体において、内管または外管によって、第１の端部または第２の端部において少なくとも受容される。

複数のモジュールが設けられ、各モジュールは、例えば、内管を介して本発明による導体に一端で接続され、他端において、各モジュールは、外管を介して本発明による導体に他端で接続される。次いで、１つの導体（第１の導体）は、好ましくは、電気接地を形成するハウジングに接続され、他の導体（第２の導体）は電極に接続され得る。

本発明による導体の代わりに、基本的に電極またはハウジングへのモジュールの他の導電性の接続、例えばケーブル接続もまた、設けられてもよい。本発明による導体を有する型が、本明細書では好ましい。なぜなら、それは特に、流体または冷却剤が流れる領域に配置される場合、十分な疲労強度を有するので、恒久的な機能性およびそれによる、熱電発電装置のメンテナンスの解消を確保するからである。

特に好ましい実施形態によれば、熱電発電装置は、互いに（並行して）隣に配置される１０〜５０個のモジュールを有し、それらの各々の端部において、導体によって互いに、および／または電極および／またはハウジングに接続される。２０〜３０個のモジュールを備える熱電発電装置の構成が最も特に好ましい。

流体入口および流体出口は特に、熱電発電装置の第１の端部または第２の端部に設けられるので、流体はモジュールを通して流れる。次に、冷却剤入口および冷却剤出口は、ハウジングの円周面に対応して配置されるので、冷却剤は、それらの外面上でモジュールを流れる。適切な場合、流体および冷却剤のための入口／出口は反転され、それによって、冷却剤はモジュールを流れ、流体はそれらの外面上でモジュールを流れる。

流体入口および流体出口は特に、排ガスシステムまたは排ガスラインの一部として設計され得る。しかしながら、特に、複数の流体入口および／または複数の流体出口を設けることも可能である。

導体は、熱電発電装置のハウジング内部に設けられるので、熱電発電素子によってモジュール内で生じる電流は、導体を介して、ハウジングまたはハウジングの外部の電極の方へ誘導される。

特に有利な実施形態によれば、熱電発電装置のハウジング全体は、自動車または周囲のシステムの追加的な構成要素に対して、特にハウジングに接続される排ガスシステムに対して電気的に絶縁されるように設計され得る。これに関して、注意点が、ドイツ国特許Ａ１−４４２９８７８号に記載されており、それは本明細書全体に参照として組み込まれ、特に、排ガス処理ユニットに接続される排ガスシステムに対する排ガス処理ユニットの絶縁を既に開示している。

有益な発展によれば、熱電発電装置は、従来の熱交換器、特に内燃エンジンの熱交換器の交換品として設けられる。流体または冷却剤のための入口／出口が導入され得、熱交換器から変化せず、熱電発電装置は、その熱電発電装置において生じる電流の放電を意図する少なくとも１つの電極（プラス極）に設けられ続ける。

熱電発電装置のさらなる有益な発展によれば、ハウジングおよび少なくとも１つのモジュールに接続され、ハウジングおよび少なくとも１つのモジュールとともに、流体および／または冷却剤に対する密封を形成する少なくとも１つの支持要素が設けられる。支持手段は特に、オリフィスを有するプレート要素として本発明による導体と同様に設計され、実質的に一体化して接続され、モジュールの外管および／または内管ならびにハウジングに正（ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ）および／または負（ｎｏｎｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ）に接続される。支持要素は、熱電発電装置のハウジング内に個々のモジュールを固定し、配置するのに役立ち、従って、疲労強度を確保するようにモジュールをハウジング内に支持することを可能にする。さらに、支持要素は特に、流体が流れる領域と冷却剤が流れる領域との間でハウジング内を密封するのに役立つ。ここで、密封は特に、さらなる特定の密封手段を用いて実施される。

この実施形態の特に有利な改良によれば、少なくとも１つの支持要素および導体の機能は、１つの構造部分において合わせられる。結果として、個々のモジュールの支持機能およびまた密封およびモジュールにおいて生じる電流の伝導が１つの構造部分によって実施され得る。

さらなる有益な実施形態によれば、熱電発電装置のハウジングは少なくとも１つの補償要素を有する。この補償要素も特に、すでに記載されているモジュールの補償要素と同じ方法で設計される。従って、ここで特に、蛇腹がまた設けられ、特に、ハウジングに配置されるモジュールの異なる膨張に対する熱膨張を可能にする。

熱電発電装置の発展によれば、少なくとも１つのモジュールは、少なくとも流体および／または冷却剤の流れ、ならびに／あるいは少なくとも流体および／または冷却剤から内管もしくは外管に対する熱伝導に影響を与えるための少なくとも１つの構造を有する。かかる構造は、例えば、流れに影響を与えるための要素および／または案内羽根および／または熱伝導構造である、フローダクトおよびフロー経路を意図する。これらの構造は、外管の外面および／または内管の内面に設けられ得るので、それらの面を流れる流体および／または冷却剤は、それらに応じて影響を受け得る。

特に有益な発展によれば、熱電発電装置は、異なるタイプの熱電発電装置を有してもよい。

さらなる有益な実施形態によれば、熱電発電装置の電力損失量は多くても１０％である。この場合、電力損失は、熱電発電素子によって生成される電力の一部であり、熱電発電素子間の導体における境界抵抗の結果として熱電発電装置内の熱出力として損失する。

さらに、存在するモジュールの少なくとも一部に追加的な冷却を提供してもよい。最も特に好ましくは、追加的な冷却は、熱電発電素子の（電気または電気機械的）反転回路であるので、それらはペルチェ素子として作用する。従って、それらは、次いで、非常に熱い排ガスが熱電発電装置を流れる事象において、それ自体を冷却する。

本発明による熱電発電装置は、好ましくは、内燃エンジンおよび排ガスラインを備える自動車に使用され、排ガスは本発明による少なくとも１つのモジュールを流れる。熱電発電装置が自動車の排ガスラインにこのように配置される場合、特に、モジュールを流れる冷却剤も提供され、それに応じて、排ガスが、熱電発電装置のハウジング内のモジュール上を流れる。特に、使用される冷却剤は冷却水であるが、オイルなどの他の冷却剤が使用されてもよい。

有益な発展によれば、内燃エンジンおよび排ガスラインおよび排ガス再循環ラインを備え、本発明による熱電発電装置が配置される自動車が提案される。

さらに、モジュールを製造するための方法が提案され、少なくとも以下の工程：
ａ１．断面を有し、かつ、外周面を有する内管を設ける工程と、
ａ２．外周面の少なくとも一部を
ｉ）誘電材料、および
ｉｉ）導体トラックを製造するための導体トラック材料、
でコーティングする工程と、
ａ３．半導体材料または少なくとも１つの熱電発電素子を適用する工程と、
さらに、
ｂ１．内面を有する外管を設ける工程と、
ｂ２．内面の少なくとも一部に、
ｉ）誘電材料、および
ｉｉ）導体トラックを製造するための導体トラック材料、
を適用する工程と、
さらに、
ｃ１．外管と内管とを合わせる工程と、
を含む。

上記のサブプロセスａ．およびｂ．は、時間内に互いに別々に独立して実施されてもよい。サブプロセス内のプロセス工程は、与えられる連続した順序で実施されなければならない。

特に有益には、内管または外管の誘電材料でのコーティングは浸漬浴によって実施される。内管または外管の導体トラック材料でのコーティングに関して、誘電材料ですでにコーティングされた管は、次いで、導体トラック材料浸漬浴中に浸漬されるか、または導体トラック材料は、例えば、スクリーン印刷により、特に内管の外周面に適用される。

ここで、半導体材料の適用は浸漬浴内で起こり得る。さらに、半導体材料はまた、内管に異なってドープされた環状要素の形態で押し込まれてもよく、異なってドープされた半導体は、熱電素子を形成するように、導体トラックにより導電的に接続することによりモジュールの軸方向において一緒に接続され得る。

好ましい実施形態において、半導体材料としての適用に加えて、熱電素子はまた、対応して準備された内管に直接適用され得、熱電素子の実施形態に依存して、他の熱電素子と並列または直列に接続され得る。この場合、可能な限り大きな部分の内管の外周面に熱電素子が設けられることが好ましい。特に、内管の長方形の断面が使用される場合、より大きな側面は熱電素子に覆われ、より小さな側面は何もないままであるので、熱電発電装置のハウジング内の個々のモジュールのより近接した構成が可能となる。

外管の内面は誘電材料および導体トラック材料で覆われ、外管の断面は、通常、非常に小さいので、内面を機械加工することはできず、ここで、誘電材料および導体トラック材料が、好ましくは浸漬プロセスにおいて外管の内面に適用される。

この方法の有益な実施形態によれば、外管の好ましい領域において導体トラックを製造するために、適用される熱電素子またはそれによるドープされる半導体材料が、それに応じて内管に接合され得、工程ｂ２．ｉ）の後、導体トラックを製造し、特にはんだ付けして外管に接続するために、導体トラック材料から構成される内側の特性付けられた管（ｉｎｎｅｒ ｐｒｏｆｉｌｅｄ ｔｕｂｅ）が、平滑な内面を有し、工程ｂ２．ｉｉ）において誘電材料コーティングを有する外管に押し込まれる。この場合、内側の特性付けられた管は、第１の最小の内径および外側の特徴を有する。すなわち、外管または導電材料コーティングを有する部分の領域のみで接触する。すなわち、工程ｂ２の工程ｉ）およびｉｉ）の後、内側の特性付けられた管は、（特にドリルで開口するプロセスによって）工程ｂ３において拡大される内側の特性付けられた管の（平滑な）内面によって第１の最小の内径を有する。この場合、内側の特性付けられた管の材料は、内側の特性付けられた管の材料が外管の領域の部分のみに存在するような範囲まで取り除かれ、それに応じて導体トラックが形成される。従って、（実質的に）平面が外管の内面に生成されるので、外管および内管が合わせられる場合、対応する導体トラックの構成が、内管の外面および外管の内面の両方に形成され、対応する電流路が熱電発電素子を介して生成され得る。

この方法の有益な実施形態によれば、モジュールは、第１の端部および第２の端部を有し、導体トラックは、第１の端部および第２の端部において各々、少なくとも１つの導体に導電的に接続される。この場合、電気接点は、ここで、熱電素子によって生じる電流をモジュールの外側の領域に誘導できるケーブルなどとして設計されてもよい。しかし、特に、気密性が外管と内管との間に生じ、第１の電気接点が、本発明によって提案される導体に導電的に接続されるように電気接点は設計される。

この方法のさらに有益な実施形態によれば、工程ａ３の後、さらに工程ａ４において、内管の外周面に適用される半導体材料がドープされ、少なくとも１つの熱電素子がこのように形成される。

本発明および背景技術を図面により例示する。図面は特定の好ましい設計変形例を示すが、本発明はそれらに限定されないことは留意されるべきである。

図１は、熱電発電装置の自動車への統合を示す。 図２は、工程ａ１による内管を示す。 図３は、工程ａ２．ｉ）による内管を示す。 図４は、工程ａ２．ｉｉ）による内管を示す。 図５は、半導体材料を有する、工程ａ３による内管を示す。 図６は、熱電発電素子を有する、工程ａ３による内管を示す。 図７は、工程ｂ１による外管を示す。 図８は、工程ｂ２．ｉ）による外管を示す。 図９は、工程ｂ３の前の外管を示す。 図１０は、工程ｂ２．ｉｉ）または工程ｂ３による外管を示す。 図１１は、工程ｃ１による合わせる工程の前の内管および外管を示す。 図１２は、熱電発電装置のためのモジュールのさらなる実施形態を示す。 図１３は、側面図および断面図における導体の実施形態を示す。 図１４は、熱電発電装置のさらなる実施形態を示す。 図１５は、熱電発電装置のさらに別の実施形態を示す。

図１は、熱電発電装置２の意図される好ましい使用を図示する。内燃エンジン３２を有する自動車３１をここで示す。内燃エンジン３２、例えばガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンで生成される排ガスは、排ガスライン３３、異なる排ガス処理ユニット４４を通り、さらにここで排ガスライン３３を内燃エンジン３２の空気供給４５に接続する排ガス再循環ライン３５に配置される熱電発電装置２を通って流れる。排ガス再循環ライン３５に熱電発電装置２を設置することは特に利点がある。なぜなら、後で熱電発電装置２と置き換えられ得る熱交換器が通常ここに設けられるからである。結果として、追加の排ガス処理ユニット４４が内燃エンジン３２の排ガスシステムにさらに統合されず、従って、特に、自動車３１の存在する空間条件が利用される。

図２〜１２は、熱電発電装置のモジュール１の製造を示す。この場合、図２は、外周面３７および断面３６を有する内管５を示し、特に、その断面３６は円形または多角形、特に長方形の設計であってもよい。

図３は、モジュール１を製造するための工程ａ２．ｉ）の方法による内管５を示し、ここで、内管５の外周面３７には、誘電材料３９のコーティングが提供される。特に、ここで、内管５の外周面３７全体が、誘電材料３９でコーティングされないが、代わりに、外周面３７の一部３８のみがコーティングされる。特に、平らな長方形の管の場合、より大きな側面のみがコーティングされるので、複数のモジュール１が熱電発電装置に使用される場合、モジュール１のより近接した構成が実装されてもよい。

図４は、工程ａ２．ｉｉ）の方法による内管５を示し、導体トラック材料４０のさらなるコーティングが誘電材料３９のコーティングの外側に適用される。導体トラック材料４０は、ここで、連続的なコーティングとして示すが、さらにこの段階において、（例えば図５に示す、スクリーン印刷法による）導体トラック１９の後で使用される構造が適用されてもよい。

図５は、誘電材料３９のコーティング、および導体トラック材料４０のコーティングを有する内管５を示し、ここで、内管５の外周面３７の一部３８のみを覆うすでに形成された導体トラック１９として示す。加えて、内管５は、ここで、例えば浸漬プロセスによって適用される半導体材料４１のコーティングを有する。従って、工程ａ３の方法の後の内管５を示す。ここで、誘電材料３９と半導体材料４１との間に示される間隙は、導体トラック１９の位置を示すために単に挿入されているだけである。実際、導体トラック１９は非常に薄いので、半導体材料４１は、一方で導体トラック１９上に存在し、他方で誘電材料３９上に存在する。

図６は、工程ａ３の方法の後の内管５のさらなる例を示し、ここで、熱電素子７は、誘電材料３９および導体トラック材料４０のすでに存在しているコーティングに適用され、導体トラック１９は、ここで、すでに生成されている。これらの熱電素子７はまた、特に工程ａ３の方法の後のさらなる工程の方法により、個々のセグメントに機械加工することにより分割され、特に後の工程ａ４でドープされる、半導体材料４１によって形成され得、その結果、後で熱電素子７になる、ドープされた半導体材料４１を通る内管５の外周面３７に沿った電流路が形成され得る。セグメント化はまた、連続的な半導体層を形成するように、単に工程ａ４によるドープによって行われ得、それによって、電流路がドープの結果として生成され得る。

図７は、工程ｂ１の方法による、内面４２を有する外管６を示す。この場合、外管６の内径は、個々の工程の方法が実施された後に、内管５および外管６が一緒に押しこまれ得、相互に接触する面を有する機能的モジュールを生成するように選択される。

図８は、図の左半分において、工程ｂ２．ｉ）の方法による誘電材料３９のコーティングを有する外管６を示す。図の右半分において、導体トラック材料４０から構成される内側の特性付けられた管（ｉｎｎｅｒ ｐｒｏｆｉｌｅｄ ｔｕｂｅ）４７を示す。内側の特性付けられた管４７は第１の最小の内径４３を有する。

図９は、誘電材料３９のコーティングの内側に存在する、導体トラックを生成するための導体トラック材料４０から構成されるさらなる層を有する外管６を示す。図８によれば、この層は、外管６と、導体トラック材料４０から生成される内側の特性付けられた管４７を合わせることによって生成され得る。内側の特性付けられた管４７の特性は外側に生じるので、内側の特性付けられた管４７は、外管６の内面４２に対する領域または誘電材料３９に対する領域の一部のみに存在する。従って、図９は工程ｂ３の前の外管６を示し、次いで、第１の最小の内径４３が拡大される。

図１０は、工程ｂ２．ｉｉ）による、または工程ｂ３の後の外管６を示し、最小の内径４３（図９を参照のこと）は、例えばドリルで開口する（ｄｒｉｌｌｉｎｇ−ｏｐｅｎ）方法によって拡大され、次いで、導体トラック１９は誘電材料３９に対して非常にわずかな高さのみを有するので、（実質的に）平滑な内面が生成される。誘電材料３９および導体トラック材料４０は、この内面上で互いに交互になるか、または内側の特性付けられた管４７に対応する誘電材料３９および導体トラック材料４０の配置（図９を参照のこと）が形成される。次いで、導体トラック材料４０は、部分的領域においてのみ存在し、対応する導体トラック１９を形成する。

図１１は、図の左半分において、工程ａ３の方法の後、または工程ａ４の方法の後の内管５に誘電材料３９のコーティングが実施され、導体トラック１９が形成される、内管５を示す。さらに、熱電素子７またはドープされた半導体材料４１が、内管５が外管６と合わされた後に、そのような方法で表面に配置され、図の右半分において、誘電材料３９および導体トラック１９の構造を示し、電流路が、そのように生成されるモジュール１によって形成される。

図１２は、工程ａ３またはａ４の方法の後の内管５、および工程ｂ２．ｉｉ）またはｂ３の方法の後の外管６を（工程ｃ１によって）合わせることによって生成されるモジュール１を示す。モジュール１は第１の端部３および反対に配置される第２の端部４を有し、第１の端部３から第２の端部４まで少なくとも１つの電流路が形成されるような方法で、熱電素子７は外管６と内管５との間に配置される。ここで、複数の並列の電流路が形成されることも可能である。さらに、特に導体トラック材料４０によって、第１の接点８が、第１の端部３および第２の端部４に形成され、モジュール１の外側の構成要素との電気接触を可能にするので、外管６と内管５との間の温度差によって生成される電流がモジュール１から放電され得る。さらに、外管６は、少なくとも第１の端部３からの距離１１に配置される少なくとも１つの補償要素１０を有する。この補償要素１０は、外管６と内管５との間の温度差の結果として、内管５に対する外管６の異なる熱膨張を補償することが可能になるのに役立つので、モジュール１に対する構造的損傷が起こらない。

図１３は、特に熱電発電装置に使用され得る導体９の２つの例を示す。導体９は、図の左半分において断面図で、図の右半分において上面図で示す。この場合、導体９は、オリフィス１７によって互いに接続される第１の端面１４および第２の端面１５を有する。さらに、導体９は外側縁１６を有する。さらに、導体９は、特に電極１２に接続されるので、導体９を流れる電流は電極１２を介して拾い上げられ得る。この場合、外側縁１６が構成されるので、特に、熱電発電装置２のハウジングに対する縁１６の電気絶縁またはハウジングに対する導電性接続が実現され得る。さらに、導体９は、特に、導体９に導電的に接続される第２の接点１８を有する。それらは、特に、導体９に物質的に一体化する方法で接続され得る。特に、第２の接点１８は、オリフィス１７を少なくとも部分的に囲むように設計される。この場合、第２の接点１８は、モジュールに導体９を導電的に接続するように提供されるので、モジュールにおいて生成される電流は、自動車またはシステムの構成要素の方へ導体９を介して放電され得る。

図１４は、熱電発電装置２の第１の実施形態を示す。それは、複数のモジュール１が設けられるハウジング１３を有する。この場合、ハウジング１３は流体入口２０および流体出口２１を有し、また、冷却剤入口２２および冷却剤出口２３も有する。従って、熱電発電装置２のハウジング１３は、流体入口２０または流体出口２１を通過する、流体２８、特に排ガス３４が通過する流れを有し、同時に、冷却剤２９は、冷却剤入口２２および冷却剤出口２３を流れる。この場合、冷却剤２９および流体２８は、特に、ハウジング１３および／またはモジュール１と共に支持要素２６によって互いから密封される。支持要素２６は、特に、熱電発電装置２のハウジング１３内にモジュール１を固定するように設けられる。

モジュール１は内管５および外管６から構成され、それらの間に熱電発電素子７が配置されるので、モジュール１の外管６と内管５との間に、流体２８および冷却剤２９によって生じる温度差の結果として電流が生成され、導体９によってハウジング１３から放電され得る。この場合、好ましくは、ハウジング１３およびモジュール１またはモジュール１内に配置される熱電発電素子７に導電的に接続される第１の導体２４が設けられる。さらに、同様に、モジュール１および特にモジュール１の熱電発電素子７に導電的に接続される第２の導体２５が設けられるので、温度差の結果として生じる、電流を電極１２を介してハウジング１３の外側に放電できる。この目的のために、第２の導体２５が、熱電発電装置２のハウジング１３に対する絶縁体４６によって電気的に絶縁されるように配置される。この場合、導体９、２４、２５が、各々の場合、第１の接点８および第２の接点１８を介して個々のモジュール１の熱電発電素子７に導電的に接続される。この場合、第１の接点８または第２の接点１８は、１つの構造部分に一緒に実装され得るので、この構造部分は、例えば溶接またははんだ付けによって導体９またはモジュール１のいずれかに固定して配置される。この場合、モジュール１の内管５と外管６との間の領域は、少なくとも第１の接点８または第２の接点１８によって密封されるので、流体２８または排ガス３４はこの空間に侵入できず、腐食作用を有する可能性はない。

示したように、流体２８は、流体入口２０を介して熱電発電装置２のハウジング１３内に流れ、導体９のオリフィス１７を通って個々のモジュール１の内管５に流れる。モジュール１を流れた後、流体２８は、再び、さらなる導体９のオリフィス１７を流れ、熱電発電装置から流体出口２１を介して出る。さらに、冷却剤２９は、外管６の表面上のモジュール１を流れるので、内管５と外管６との間の温度差が生成される。特に、モジュール１の起こり得る熱膨張を補償するために、少なくとも１つの補償要素１０もまた、ハウジング１３に設けられ、熱電発電装置２のハウジング１３の膨張を可能にする。

図１５は、ここで、熱電発電装置２、特に、入れ替えられている流体入口２０および流体出口２１ならびに冷却剤入口２２および冷却剤出口２３の第２の実施形態を示す。従って、冷却剤２９は、ここで、モジュール１、内管５を流れ、流体２８または排ガス３４は、外管６の表面上に導かれる。この場合、ここでも、ハウジング１３およびモジュール１と共に、冷却剤による作用を受けるハウジング１３の領域と、流体２８による作用を受けるハウジング１３の領域との間で密封２７を形成する支持要素２６が設けられる。支持要素２６は、ここで、モジュール１の内管５に接続されるので、それらはハウジング１３において支持される。これによって、外管６と内管５との間の中間領域が、流体２８または排ガス３４に対して少なくとも第１の接点８または第２の接点１８によってのみ密封されることが達成される。さらに、ここで、構造３０が外管６の外面に設けられ、流体２８または排ガス３４と外管６との間の向上した熱伝導を可能にする。同様の構造３０もまた、内管５の内部に設けられ、流れる流体２８または流れる冷却剤２９の乱流を引き起こすので、流体２８または冷却剤２９と、内管５との間の熱の十分な伝導が可能になる。構造３０はまた、熱伝導要素として提供され得るので、内管５と流体２８または冷却剤２９との間の熱の伝導が向上する。

図１４および１５に示す支持要素２６は、各々の場合、導体９とともに、共通の構造部分として設計されてもよい。次いで、モジュール１の支持機能、ハウジング１３およびモジュール１での密封２７の機能ならびに電流の導体は、１つの構造部分によって実現される。

さらに、第１の導体２４はまた、ハウジング１３に対して絶縁されるように設計されてもよく、ハウジング１３は、内燃エンジン３２の排ガスシステムに対して絶縁されるように設計されてもよい。結果として、モジュール１は、排ガスシステムに対して電圧の点で独立するように設計され、自動車のアース端子または電流供給装置のマイナス極に対応するように接続され得る。

１ モジュール
２ 熱電発電装置
３ 第１の端部
４ 第２の端部
５ 内管
６ 外管
７ 熱電発電素子
８ 第１の接点
９ 導体
１０ 補償要素
１１ 距離
１２ 電極
１３ ハウジング
１４ 第１の端面
１５ 第２の端面
１６ 縁
１７ オリフィス
１８ 第２の接点
１９ 導体トラック
２０ 流体入口
２１ 流体出口
２２ 冷却剤入口
２３ 冷却剤出口
２４ 第１の導体
２５ 第２の導体
２６ 支持要素
２７ 密封
２８ 流体
２９ 冷却剤
３０ 構造
３１ 自動車
３２ 内燃エンジン
３３ 排ガスライン
３４ 排ガス
３５ 排ガス再循環ライン
３６ 断面
３７ 外周面
３８ 一部
３９ 誘電材料
４０ 導体トラック材料
４１ 半導体材料
４２ 内面
４３ 最小内径
４４ 排ガス処理ユニット
４５ 空気供給
４６ 絶縁体
４７ 内側の特性付けられた管

Claims (15)

1. 第１の端部（３）および第２の端部（４）を備える、熱電発電装置（２）のためのモジュール（１）であって、前記モジュール（１）は、少なくとも１つの内管（５）および前記内管（５）の外側周囲に配置される１つの外管（６）と、さらに、前記内管（５）と前記外管（６）との間に配置される少なくとも１つの熱電発電素子（７）とを有し、前記内管（５）および前記外管（６）は、各々、前記少なくとも１つの熱電発電素子（７）に対して電気的に絶縁され、さらに、少なくとも１つの導電性の第１の接点（８）が、前記第１の端部（３）および前記第２の端部（４）に各々設けられ、かつ、前記少なくとも１つの熱電発電素子（７）の導体（９）に対する導電性接続の役割を果たし、流体（２８）または冷却剤（２９）が、前記第１の端部（３）から前記第２の端部（４）まで前記モジュール（１）を流れることができる、モジュール（１）。
2. 前記導電性の第１の接点（８）は、前記外管（６）と前記内管（５）との間に密封を形成する、請求項１に記載のモジュール（１）。
3. 前記外管（６）に対する前記内管（５）の異なる膨張を均一化するために少なくとも１つの補償要素（１０）が、前記外管（６）に設けられる、請求項１または２に記載のモジュール（１）。
4. 前記補償要素（１０）は、前記第１の端部（３）または前記第２の端部（４）から、あるいは追加的な補償要素（１０）から２〜１０ｃｍの距離（１１）で配置される、請求項３に記載のモジュール（１）。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の少なくとも１つのモジュール（１）を電極（１２）またはハウジング（１３）に導電的に接続するための導体（９）であって、前記導体（９）は、プレート形状であり、第１の端面（１４）および第２の端面（１５）と、さらに円周面（１６）を有し、前記第１の端面（１４）は、少なくとも１つのオリフィス（１７）を介して前記第２の端面（１５）に接続され、前記少なくとも１つのオリフィス（１７）は、前記モジュール（１）を受容するように設けられ、前記導体（９）は、前記モジュール（１）の前記第１の接点（８）を前記導体（９）に導電的に接続するための導電性の第２の接点（１８）を有する、導体（９）。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の少なくとも１つのモジュール（１）と、
   少なくとも１つの流体入口（２０）および１つの流体出口（２１）と、
   少なくとも１つの冷却剤入口（２２）および１つの冷却剤出口（２３）と、
   ハウジング（１３）と、
   を少なくとも有し、前記少なくとも１つのモジュール（１）は、請求項５に記載の導体（９）において、内管（５）または外管（６）によって少なくとも第１の端部（３）または第２の端部（４）で受容される、熱電発電装置（２）。
7. 前記ハウジング（１３）および前記少なくとも１つのモジュール（１）に接続され、かつ、前記ハウジング（１３）と前記少なくとも１つのモジュール（１）と共に、流体（２８）および冷却剤（２９）に対する密封（２７）を形成する、少なくとも１つの支持要素（２６）が設けられる、請求項６に記載の熱電発電装置（２）。
8. 前記ハウジング（１３）は、少なくとも１つの補償要素（１０）を有する、請求項６または７に記載の熱電発電装置（２）。
9. 前記少なくとも１つのモジュール（１）は、少なくとも流体（２８）または冷却剤（２９）の流れに影響を与えるため、および／あるいは少なくとも前記流体（２８）または前記冷却剤（２９）から前記内管（５）または前記外管（６）へ熱を伝導するための少なくとも１つの構造（３０）を有する、請求項６〜８のいずれか一項に記載の熱電発電装置（２）。
10. 内燃エンジン（３２）と、排ガスライン（３３）と、請求項６〜９のいずれか一項に記載の熱電発電装置（２）とを備え、排ガス（３４）が前記少なくとも１つのモジュール（１）を流れる、自動車（３１）。
11. 内燃エンジン（３２）と、排ガスライン（３３）と、排ガス再循環ライン（３５）と、前記排ガス再循環ライン（３５）に配置される請求項６〜９のいずれか一項に記載の熱電発電装置（２）と、を備える、自動車（３１）。
12. 少なくとも以下の工程：
    ａ１．断面（３６）を有し、かつ、外周面（３７）を有する内管（５）を設ける工程と、
    ａ２．前記外周面（３７）の少なくとも一部（３８）を
    ｉ）誘電材料（３９）、および
    ｉｉ）導体トラック（１９）を製造するための導体トラック材料（４０）、
    でコーティングする工程と、
    ａ３．半導体材料（４１）または少なくとも１つの熱電発電素子（７）を適用する工程と、さらに、
    ｂ１．内面（４２）を有する外管（６）を設ける工程と、
    ｂ２．前記内面（４２）の少なくとも一部（３８）に、
    ｉ）誘電材料（３９）、および
    ｉｉ）導体トラック（１９）を製造するための導体トラック材料（４０）、
    を適用する工程と、さらに、
    ｃ１．前記外管（６）と前記内管（５）とを合わせる工程と、
    を含む、モジュール（１）を製造するための方法。
13. 前記モジュール（１）は、第１の端部（３）および第２の端部（４）を有し、前記導体トラック（１９）は、前記第１の端部（３）および前記第２の端部（４）の各々において少なくとも１つの電気接点（８、１８）に導電的に接続される、請求項１２に記載の方法。
14. 少なくとも１つの熱電発電素子（７）を形成するために、前記ａ３の工程の後、ａ４の工程において、前記内管（５）の前記外周面（３７）に適用される半導体材料（４１）がドープされる、請求項１２または１３に記載の方法。
15. 前記ｂ２．ｉｉ）の工程において、前記導体トラック材料（４０）が、最小の内径（４３）を有する内側の特性付けられた管（４７）の形態で前記外管（６）に押し込まれ、前記導体トラック材料（４０）は前記外管（６）に接続され、さらなる工程ｂ３．によって、最小の内径（４３）が拡大する、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。

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