JP2012521084A

JP2012521084A - 熱電素子

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Publication number: JP2012521084A
Application number: JP2012500263A
Authority: JP
Inventors: ジクリードリンベック; ロルフブリュック
Original assignee: エミテックゲゼルシヤフトフユアエミツシオンステクノロギーミツトベシユレンクテルハフツング
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2012-09-10
Also published as: WO2010106156A2; DE102009013692A1; EP2409341A2; US20120042640A1; WO2010106156A3

Abstract

本発明は、内燃エンジンの排気ガスが連続して流れる複数の熱電素子（１）を有する熱電発電機（３３）に関する。各々の熱電素子（１）は、排気ガスのための少なくとも１つの高温流路および冷却剤のための少なくとも１つの低温流路、前記流路の間で目的とされるように接続される複数のｐ−ドープおよびｎ−ドープ絶縁半導体素子（７）を形成する。少なくとも１つの熱電素子（１）において、半導体素子（７）の少なくとも一部は柔軟性のある媒体（５０）に固定される。
【選択図】図８

Description

本発明は、例えば発電機によって内燃エンジンの排気ガスから電気エネルギーを生成するための熱電素子に関する。これは特に、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機、すなわち熱電発電機に関する。

自動車のエンジンからの排気ガスは、例えばバッテリーもしくは一部の他のエネルギーアキュムレータを充電するために、または必要とされるエネルギーを電気消費部に直接供給するために、熱電発電機または熱電発電装置によって電気エネルギーに変換され得る熱エネルギーを有する。従って、自動車は、より良いエネルギー効率レベルで作動し、エネルギーが自動車の作動に関してより十分な程度まで利用できる。

このような熱電発電機は、少なくとも複数の熱電変換素子を有する。熱電材料は、それらが効率的に熱エネルギーを電気エネルギーに変換できる（ゼーベック効果）およびその逆（ペルチェ効果）の種類のものである。「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、熱電エネルギーを生成す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、熱の吸着に関連する現象であり、その要因は、異なる材料を通る電流に関連する。「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素子は好ましくは、いわゆる高温側といわゆる低温側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、例えば既に提案されている、導電性ブリッジとともに、上側および下側（それぞれ高温側の方向および低温側の方向）に少なくとも２つの半導体型（ｐ−ドープおよびｎ−ドープ）を含む。セラミックプレートもしく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機能するので、好ましくは金属ブリッジの間に配置される。温度勾配が半導体型の各側に得られる場合、電位差が形成される。従って、熱が第１の半導体型の高温側で受け取られ、１つの側の電子が、次の型のエネルギー的により高い伝導バンドに移動する。次いで低温側において、電子はエネルギーを放出し、低いエネルギーレベルで次の半導体型に移動する。結果として、電流が所定の対応する温度勾配により定められ得る。

自動車、特に乗用車に適用するための利用可能な対応する熱電発電機を製造する試みが既になされている。しかしながら、それらは通常、製造するのが非常に高価であり、比較的低い効率レベルにより特徴付けられている。結果として、それらを連続生産に適合することは可能ではない。さらに、公知の熱電発電機は通常、非常に大きな設置スペースを必要とするので、既存の排気ガスシステムのみに一体化することは困難であると判断され得る。

このことをベースとして、本発明の目的は、従来技術に関する問題を少なくとも部分的に解決することである。特に、様々な適用に適切であり、電気エネルギーに利用可能である熱エネルギーの変換に関して改良された効率レベルを可能にする熱電発電機を特定することである。これに関して、熱電発電機は、可能な限り柔軟性があるように異なる性能要件に適合するのに適切である。さらに、熱電装置内の半導体素子に固定または接続するのに特に適切である可能性もまた特定される。

これらの目的は請求項１の特徴による装置を用いて達成される。本発明による装置およびこの装置の上位構造ユニットへの一体化の有益な実施形態が従属請求項に特定される。開示されている特徴は、任意の所望の技術的に適切な方法で互いに個々に組み合わされてもよく、本発明のさらなる実施形態を例示できることは留意されるべきである。図面と関連した詳細は特に本発明をさらに説明し、本発明の補足的な例示的実施形態を特定する。

本発明による熱電発電機は、内燃エンジンからの排気ガスが熱電素子を連続して流れることができるように配置されている複数の熱電素子を有し、各々の熱電素子は、排気ガスのための少なくとも１つの高温流路および冷却剤のための少なくとも１つの低温流路を形成し、高温流路と低温流路との間に、複数のｐ−ドープおよびｎ−ドープ半導体素子が接続され、かつ選択された形態で絶縁され、少なくとも１つの熱電素子において、半導体素子の少なくとも一部が柔軟性のある媒体に固定される。

熱電発電機は、特に、複数の熱電素子を有する、自動車における複合システムであることが理解される。ここで、特に熱電素子は、説明され得るように、内燃エンジンの排気ガスが連続して流れることができる構造ユニットである。したがって、例えば少なくとも２つのこのような熱電素子が提供されるが、特に３つ、４つまたは５つのこのような熱電素子を有する熱電発電機を具現化することも可能である。これらの熱電素子の各々は、排気ガスが熱電素子を流れる１つ以上の高温流路を有するタイプの熱交換器を形成する。１つ以上のラジエータ流路が提供され、そのラジエータを通して冷却剤が熱電素子に誘導される。ここで、排気ガスと冷却剤との間の熱交換が熱交換面を介して可能となるように異なる流路が配置される。この目的のために、流路は実質的に互いに平行および／または垂直に配置されてもよい。これに関して、例えば好ましくは、単一の大きな流路が提供され、その流路は、複数の比較的小さな、例えば管状の低温流路が貫通する。これにより、排気ガスが低温流路の外側周囲を流れることも確保する。次いで、高温流路と低温流路との間のこの境界領域において、複数のｐ−ドープおよびｎ−ドープ半導体素子が提供される。それらは、ｐ−ドープおよびｎ−ドープ半導体素子の選択的接続が実施されるように部分的に電気的に絶縁される。このことはまた以下に詳細に説明される。ここで提案されている熱電発電機において、熱電素子の単一の構造ユニットにより排気ガスエネルギーの全ての吸収が開始される。複数の熱電素子を使用することによって、多段式の熱電発電機が形成され、各々の段階に存在する熱条件の選択的利用が各段階で実施される。個々の熱電素子は、例えば構造ユニットとして互いから電気的に絶縁され、そこで、それぞれ生成される電流は移動される。次いで個々の熱電素子が接続され、その結果として、１２〜１５Ｖの電圧が内燃エンジンの作動中に発生できる。従って、個々の熱電素子は、例えば、設計に関して実質的に同じ方法で構成されてもよい。これに関して、熱電素子は一方の後方に他方が直接配置されることが好ましい。すなわち、特に、個々の熱電素子の間に配置されるさらなる構成要素は存在しない（適切な場合、排気ガスラインを除いて）。

特に、熱電素子は少なくとも以下：
第１のキャリア層および第２のキャリア層を有する少なくとも１つのモジュールと、
第１のキャリア層および第２のキャリア層との間の中空の空間と、
中空の空間に面する第１のキャリア層および第２のキャリア層上の電気絶縁層と、
絶縁層の間の中空の空間に交互に配置され、互いに交互に電気的に接続されている複数のｐ−ドープおよびｎ−ドープ半導体素子と、
を有する。

ここで提案される熱電素子は、特に、複数（同一）のモジュールを有して特に層状形態で組み合わされて、熱電発電機を形成する。特に、互いに接続される複数のモジュールにより熱電素子が形成される。これに関して、特に熱電素子はハウジングに配置され、熱電発電機を形成するために、そのハウジング内に複数の熱電素子がまた構造ユニットと共に配置されてもよい。モジュールに加えて、熱電素子は特に、外側から中間の空間を密閉する密閉手段と、モジュール内を流れる電流を自動車のアキュムレータまたは消費部に誘導できる電気回路を生成するために接続要素とを有する。

半導体素子は、特に熱電素子の外側境界を形成する２つのキャリア層の間で、特に一方の隣に他方が配置される。ここで最初に外側キャリア層が、熱を熱電素子から熱電素子の周囲を流れる流体に移動させることができる熱伝導層を形成する。これに関して、第１／第２のキャリア層は、いわゆる高温側、特に高温での流体に対する熱伝導接続を有し、他方（第２／第１）のキャリア層は、低温側、特に低温での流体に対する熱伝導接続を有する。結果として、温度ポテンシャルが、熱電素子によってキャリア層の間に形成され、その温度ポテンシャルが、「ゼーベック効果」の結果として、互いに交互に接続されている半導体素子を流れる電流を生成する。キャリア層は特に、少なくとも部分的にスチールおよび／またはアルミニウムから構成される。

半導体素子が配置される中空の空間はキャリア層の間に提供される。従って、中空の空間は特に、実質的に高さおよび数ならびに半導体素子の配置によって規定されている範囲のみを有する。

ｐ−ドープおよびｎ−ドープ半導体素子を流れる電流の選択的な流れを生じるために、キャリア層は少なくとも部分的に電気絶縁層を有し、その層に半導体素子が固定され、互いに電気的に絶縁される。特にここで、酸化アルミニウム層が絶縁層として可能である。電気絶縁層に関して、キャリア層の外側から半導体素子まで熱の移動を過度に妨げないようにすることが確保されるべきである。これはまた、特に、電気絶縁層が実際にキャリア層を有する半導体素子の接触面の領域のみに提供されるという事実によって達成されてもよい。いずれにしても、このような電気絶縁層は、半導体素子を互いに電気的に接続するための手段によって貫通できないように非常に厚く製造されるべきであり、電気絶縁層は、キャリア層および／または隣接する電流経路に対する導電性接続を確実に防ぐべきである。第１および第２のキャリア層において、特に異なる電気絶縁層が可能である。

例えば、亜テルル酸ビスマス（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）が、ｐ−ドープおよびｎ−ドープ半導体素子のための導電材料として使用されてもよい。さらに、［以下の最大温度（℃）まで］以下の材料が使用されてもよい。

従って、この熱電素子において、２つのキャリア層が中空の空間を画定するため、および熱の半導体素子への移動のために使用される。ここで、例えば、異なる導電性を有する材料からなる小さなダイおよび／または小さな細長いロッドの形態で半導体素子が利用可能である。各々の場合、２つの異なる半導体素子（ｐ−ドープおよびｎ−ドープ）は、一緒に直列回路を形成するように互いに電気的に接続される。２つのキャリア層のうちの１つは流入する高温の流れを受け取り（高温側）、他方のキャリア層は流出する高温の流れを排出する（低温側）。個々の半導体素子の配置または接続の設計に関して、半導体素子の種類および／または形状および／または配置は、設置スペース、熱の流れ、電流の経路などに適合され得、それらは特にここで、互いに異なってもよい。特に、熱電素子は、直列で互いに接続される１つ以上の群の半導体素子を有し、各群は、互いに独立した回路を有するか、または電気並列回路により互いに接続される。

本発明による熱電発電機は、少なくとも１つの熱電素子において、半導体素子の少なくとも一部が柔軟性のある媒体に固定される。このような熱電発電機が作動する場合、高温流路と低温流路との間に有意な温度勾配が生じ、これは半導体素子によってエネルギーを生成するのに非常に有益である。しかしながら、同時に、内燃エンジンの作動により、熱電発電機において動的な非常に変化する温度分布が生じるという事実を考慮することも必要である。内燃エンジンの開始段階の間または内燃エンジンを切った後にも有意な温度差が達成される。これにより、熱電素子の熱電発電機の構成要素が部分的に非常に異なる熱膨張挙動を示す。これは特に、半導体素子がストレスに供される状況を導き、従って、これらの比較的脆弱な材料が損傷する危険性がある。これを防ぐために、半導体素子の少なくとも一部に関する固定のために柔軟性のある媒体を提供することが提案される。例えば、弾力性および／または圧縮性材料が柔軟性のある材料として使用されてもよい。従って、例えば発泡性の不織媒体または同様の媒体を使用することも可能である。さらに、この柔軟性のある媒体自体が熱伝導設計であることが好ましく、その結果として、高温側または低温側から半導体素子までの十分な熱の移動が確保される。さらに、このように柔軟性のある媒体はまた、特定の流路が半導体素子を接続するように形成されるように構成されてもよい。別の電流導体および／または適切な絶縁材料がこれに使用されてもよい。ここで、柔軟性のある媒体は、作動中に柔軟性のある媒体の弾性変形が生じるように選択され、その結果として、材料の異なる熱膨張率が補償され、半導体素子に実質的に一定の圧力が定められる。

さらに、圧力媒体が半導体素子に少なくとも部分的に適用され得ることが好ましい。圧力媒体は特に、作動中に行われる柔軟性のある媒体に対する反対の圧縮のために使用される。特に、流体、例えば油が圧力媒体として使用される。圧力媒体はまた、特に高い熱伝導性を有するが、好ましくは電導性は有さない。次いで圧力媒体の熱伝導性は、高温側または低温側から半導体素子までの熱の移動を確実にし、同時に、電気絶縁体としての性質により、半導体素子の望まれない電気接続を実施しないことを確実にする。柔軟性のある媒体の圧縮の場合、圧力媒体は、対応する均一の部分内に流れることができ、熱ストレスが軽減される場合、例えばポンプまたは対応する加圧容器による対応する圧力の提供によって、柔軟性のある媒体内に再度導入される。

完全性の目的のために、適切な場合、圧力媒体による補助を用いて半導体素子を柔軟性のある媒体に固定する、ここで開示されている概念はまた、熱電発電機の設計と独立して使用されてもよいことに留意されるべきである。すなわち、例えば熱電発電素子の任意の他の「変形例」がここで提示されている。従って、例えば半導体素子が最初に拡散障壁に配置されるように半導体素子を固定することが可能になり、その拡散障壁の下にはんだ材料（例えばまた電流導体）が配置される。半導体素子は、はんだによって柔軟性のある圧力媒体（例えば発泡材料など）に固定される。この柔軟性のある媒体は、はんだ材料によって流路の壁（ならびに例えば内管および／または外管）に固定される。ここで、柔軟性のある媒体は、この複合体に対する軸および／または半径方向において異なる膨張率を補償でき、この複合体の復元力または最大圧力が、対応する圧力媒体（例えば油）によって定められる。この圧力は好ましくは、熱電素子の作動の間、実質的に同一である。

熱電素子のさらに有利な改良によれば、半導体素子の少なくとも一部が環状の形態で構成され、各々、外側円周面および内側円周面によって電気絶縁層に接続される。従って、用語「環状の形状」とは、半導体素子が環状の少なくとも一部を形成することを意味する。このように成形される半導体素子は、特に、少なくとも部分的に管状の熱電素子として提案される。これに関して、キャリア層は管の外側円周面および内側円周面を形成し、その結果として、二重の管壁が形成され、その内部空間に半導体素子が配置される。このような設計の熱電素子において、流体は管の内側円周面によって形成されるダクトを流れ、別の流体は外側円周面で前記熱電素子をオーバーフローし、その結果として、温度ポテンシャルが二重の管壁にわたって生成され得る。半導体素子は二重管壁の内側に配置され、特に、環状の形態で円周面で閉じるように具現化される。半導体素子は特にまた、環状部分の形態であってもよい。ここで、半導体素子はまた、互いに隣接して、または管の軸方向に沿って一方の後に他方が配置される。管状または管状部分の形状の半導体素子の構造が好ましい。なぜなら、互いに隣接して配置される円筒またはダイ形状の半導体素子の間に、間隙が湾曲した面上の半導体素子の間に形成され、中間の空間の部分の利用のより低い程度がもたらされるようにその間隙は半径方向においてより広がる。ここで、環状の形状は、特に円形に対応するが、楕円形の実施形態も可能である。接続に関して、例えばここで、半導体素子が１８０°の環状形態を有してもよく、次いでその形状はオフセット／交互の形態で電気的に互いに接続される。

熱電素子の１つの有益な開発によれば、電気絶縁層上のｐ−ドープおよびｎ−ドープ半導体素子は、はんだ材料によって互いに電気的に接続され、以下の条件：
ａ）ｐ−ドープおよびｎ−ドープ半導体素子の各々は同じサイズの流れ移動面を有する；
ｂ）はんだ材料ははんだ厚さを有し、５：１より大きい半導体素子の高さ対はんだ厚さの比を有する；
ｃ）はんだ材料は活性ろう、銀ろうの群からの要素である、
のうちの少なくとも１つを満たす。

ここで、半導体素子を固定するのに機能するはんだ付け点またははんだ付け面は、半導体素子と絶縁層との間の接触面を超えないことが好ましい。はんだ材料は好ましくは、粉末はんだ材料と接触してキャリア層を配置するために、接着剤が所望の位置で電気絶縁層にプリントされることによって適用され、次いでそれらの予め規定された接着点で接着を維持する。ここで、利用可能なはんだ材料の量が正確に、はんだ材料によって形成される所望の接触面が構築されるように粒状のはんだ材料が選択される。これに関して、半導体素子は、それらの接触面の各々で、等しいサイズであり、はんだ材料を用いて提供される半導体素子の接触面の領域を画定する流れ移動面を有する。結果として、可能な限り同一である接触抵抗が、導体トラックに応じて半導体素子とはんだ材料との間の周囲にもたらされる。特に、環状の形状または環状部分の形状で構成される半導体素子の場合、および異なるサイズの接触面を有する半導体素子の場合、等しいサイズの流れ転移面が提供される。これに関して、半導体素子の外側円周面は、通常、内側円周面より大きい。従って、外側の流れ移動面は、半導体素子の内側円周面に配置される流れ移動面より狭く製造され得る。これは、特に熱電素子の製造プロセスにとって利点があり、その間に一方のキャリア層における導体トラックの配置が、半導体素子の交互の電気接続がもたらされるように他方のキャリア層上の導体トラックと適合し、その結果として、直列回路が熱電素子によって生成され得る。その結果として流れ移動面の幅の減少が可能であり、それにより、はんだ材料の適用により、広くなる導体トラックの製造の間、および個々の構成要素のアセンブリの間の製造公差を可能にする。従って、かなりの程度で提案された半導体素子の製造における製造誤差および製造コストを減少させることを可能にする。

使用される半導体素子は好ましくは１〜５ｍｍの高さを有する。これは特に、半導体素子のコンパクトな構造を生じ、また、中間の空間にわたってキャリア層の間で十分な温度差を確保する。通常、全ての半導体素子は同じ高さである。これに関して、半導体素子の高さ対はんだ厚さの比は、特に、１０対１より大きく、好ましくは２０対１より大きく、特に好ましくは５０対１より大きい。はんだ厚さの制限はまた、半導体素子のコンパクトな設計を容易にする。

はんだ材料は好ましくは、活性ろう、銀ろうの群から選択され、特に、欧州規格ＥＮ１０４４（１９９９）：ＡＧ３０１、ＡＧ３０２、ＡＧ３０３、ＡＧ３０４、ＡＧ３０５、ＡＧ３０６、ＡＧ３０７、ＡＧ３０８、ＡＧ３０９、ＡＧ３５１、ＡＧ４０１、ＡＧ４０２、ＡＧ４０３、ＡＧ５０１、ＡＧ５０２、ＡＧ５０３、ＡＧ１０１、ＡＧ１０２、ＡＧ１０３、ＡＧ１０４、ＡＧ１０５、ＡＧ１０６、ＡＧ１０７、ＡＧ１０８、ＡＧ２０１、ＡＧ２０２、ＡＧ２０３、ＡＧ２０４、ＡＧ２０５、ＡＧ２０６、ＡＧ２０７、ＡＧ２０８によるはんだ材料から選択される。適切な場合、もちろん、特定の適用を考慮しながら、はんだ材料に適合する他の高温耐性はんだを使用することも可能である。

熱電素子の１つの有益な開発によれば、電気絶縁層を介する第１のキャリア層と半導体素子との間の第１の接触面および第２のキャリア層と半導体素子との間の第２の接触面は、異なるサイズであり、１：３までの第１の接触面対第２の接触面の比を有する。これに関して、第１の接触面および第２の接触面は、各々、電気絶縁層またははんだ材料を介して第１または第２のキャリア層に接続される半導体素子の面として規定される。第１および第２の接触面の異なる実施形態の結果として、熱電素子の製造のより高いレベルの生産性もまた可能である。これにより、はんだ材料による接触を形成するために提供される半導体素子の領域が増加し、その結果として製造公差がより寛容になり得るので、熱電素子の安全性および正常な製造を確保する。特に、モジュールの管状構造の場合、ここで、半導体素子は、より大きな外側接触面領域を有する。従って、半導体素子は、このように異なる接触面を確保する外側に広くなる形状（特に、円錐形状）を有する。さらに、このような条件は、半導体素子の環状または環状部分の形状の構造により満たされる。特に、比較的大きな接触面は、通常、ガスストリームによってオーバーフローされるキャリア層に配置される。熱電素子が自動車に配置される場合、第１のキャリア層は高温側に接続されるので、排気ガスストリームがオーバーフローし、第２のキャリア層は低温側に接続されるので、特に冷却液体がオーバーフローされ、第１の接触面は第２の接触面より大きく製造される。これは、ガスストリームがオーバーフローする第１のキャリア層におけるより高い熱移動耐性に起因する。冷却液体がオーバーフローする第２のキャリア層は、熱を十分に伝導でき、その結果としてここで、比較的小さな第２の接触面が提供され得る。

さらなる有益な実施形態によれば、モジュールの最大積載量は、モジュールの密閉された体積に対するモジュールにおける半導体素子の体積の割合と定義され、最大積載量は９０％より高いと定義される。モジュールの密閉された体積は、特に、外側キャリア層により規定され、適切な場合、さらに熱電素子またはモジュールの壁により規定される。従って好ましくは、キャリア層の間の中間の空間は、可能な限り半導体素子により満たされるべきである。従って、最大積載量は、特に９５％より大きく、特に好ましくは９８％より大きい。これは、特に、円周方向において分離面を有さない環状の半導体素子によって達成されるので、熱電素子またはモジュールの高い最大積載量を可能にする。

熱電素子のさらに有益な開発によれば、半導体素子は、互いに対して回転する側面上に電気絶縁体を有し、電気絶縁体は特に、雲母またはセラミックの層によって形成される。用語、雲母とは、ケイ酸塩の群を意味する。ここで、半導体素子の間の隙間は、充填材の形態で、またはコーティングの形態で雲母またはセラミックにより充填される。この絶縁体は好ましくは、半導体素子に熱電素子を取り付けるプロセスの前に既に適用されてもよい。その結果として、半導体素子は、キャリア層または電気絶縁層上に高い充填密度を有して配置され得、互いに支持し得る。従って、従来技術から公知であり、製造技術の点で調節することが困難である、半導体素子の間の空隙はここでは必要ではない。従ってここで、互いからの半導体素子の絶縁は別の層によってもたらされ、その結果として、直列回路の形態の半導体素子は、はんだ材料のみによって互いに電気的に接続される。これに関して、半導体素子の側面の間の絶縁体は、５０μｍ未満、好ましくは２０μｍ未満、特に好ましくは５μ未満の絶縁体幅を有することが特に有益である。この寸法はまた、半導体素子のコンパクトな設計を生じ、また製造を簡単にする。

熱電素子のさらに有益な実施形態によれば、第１のキャリア層は、２０μｍから５００μｍの間、好ましくは４０μｍから２５０μｍの間の第１の厚さを有する。これに関して、第１のキャリア層は、特に、熱電素子の作動の間、高温側に配置される。

特に、第１のキャリア層のみが、軸方向においてモジュールの熱膨張を補償する少なくとも１つの軸補償要素を有する。軸補償要素は、例えば、折り畳み式のベローズまたは波形のくぼみ部により具現化され得、その結果として、圧縮または膨張およびそれによる第１のキャリア層（高温側）と第２のキャリア層（低温側）との間の異なる割合の熱膨張がこの領域において可能になるので、温度差によってもたらされる熱膨張が補償される。

特に第２のキャリア層は、２００μｍから１．５ｍｍの間、特に４００μｍから１．２ｍｍの間の第２の厚さを有する。第１の厚さより著しく大きいこの第２の厚さにより、熱電素子およびモジュールの寸法安定性が確保される。

第２のキャリア層は、有利には、第１のキャリア層より高い熱伝導性を有する材料を有し、その結果として、第２のキャリア層は、より厚い第２の厚さにもかかわらず、同様の熱伝導性を示す。

熱電素子のさらに有益な開発によれば、複数の軸補償要素が、各々、軸方向において最大１０ｍｍの距離で提供される。

さらに有益な開発によれば、少なくとも１つのモジュールは、軸方向において傾斜して配置される少なくとも複数の半導体素子によって形成される少なくとも１つの軸補償要素を有し、その結果として、軸方向におけるモジュールの熱膨張は、半径方向におけるモジュールの熱膨張に少なくとも部分的に変換される。軸方向における半導体素子の傾斜している配置の結果として、これらのキャリア層の相対移動が、第２のキャリア層に対する第１のキャリア層の異なる熱膨張の結果として、半導体素子の傾斜位置の変化により補償され得る。その結果として、モジュールの長さの一方の側の変化の代わりに、半径方向の膨張がもたらされる。これに関して、次いで熱電素子が作動されていない間、少なくとも複数の半導体素子が少なくとも軸方向に傾斜して配置される。作動の間、特に半導体素子がキャリア層または軸方向に対して垂直に配置されるように、軸方向の熱膨張のために半導体素子は直立する。この半径方向の熱膨張により、外側キャリア層に隣接し、流体が流れる断面の制限が導かれ得、またこれにより、キャリア層に沿った流体の流量が制御され得る。従って、流体は、複数の熱電素子、ならびに流体が流れ、および／またはキャリア層をオーバーフローする複数のダクトを有する熱電発電機の内側を流れ、特に自己調節形式で制御され得、その結果として、流体流量における利用可能な熱容量の均一な分散が、熱電素子の利用可能な面全体にわたって確保されるか、または促進される。

さらに有利な開発によれば、熱膨張の補償は、異なる熱膨張率を有するキャリア層についての材料によってもたらされる。高温側のキャリア層は、対応して低い熱膨張率を有し、低温側のキャリア層は、対応して高い熱膨張率を有する。

熱電素子のさらに特に好ましい実施形態は、少なくとも複数のモジュールが軸方向において互いに接続され得るように提供される。これにより、熱電素子を以前に定義されていた性能要件に適合することが可能となる。これは特に、異なる適用状況についての熱電素子の製造および提供に関して有益となる。これに関して、特に少なくとも互いにはんだ接続することによってモジュールは互いに接続され、特に互いに絶縁され、個々のモジュールの半導体素子の電気的に直列な接続を可能にする導電トラックが提供される。特に、これに関して、個々のモジュールの互いに対する流体密封接続がもたらされ得、その結果として、特に腐食作用性の周囲媒体、例えば排気ガスが、２つのモジュールの間の領域内を通ることができない。この少なくとも複数のモジュールの接続のために、特にモジュールの管状構造が好ましい。

モジュールは、有利には、周囲媒体または流体、特に冷却回路または排気ガスからキャリア層の間の中間の空間を密封する充填材を有する。特に、キャリア層はまた、第１のキャリア層および第２のキャリア層が（直接）互いに接続を形成するという事実により、中空の空間を密閉することができる。しかしながら、複数のモジュールが一方の後に他方があるように配置される場合、第１のキャリア層を第１のキャリア層に、および／または第２のキャリア層を第２のキャリアに接続することが好ましく、その結果として、各々のモジュール内の導電体トラックは、導体トラックが貫通するキャリア層を有さずに、隣接するモジュールの導体トラックに接続され得る。

さらに有益な実施形態によれば、熱電装置は、本発明による複数の熱電素子を有し、第１のキャリア層は高温側に接続され、第２のキャリア層は低温側に接続される。

自動車は特に非常に好ましくは、内燃エンジン、排気システム、冷却回路および本発明による複数の熱電素子が設けられ、第１のキャリア層は高温側に接続され、第２のキャリア層は低温側に接続され、この自動車において、排気ガスシステムは高温側に接続され、冷却回路は低温側に接続される。

さらに、排気ガスが、少なくとも１つの低温流路の外側周囲を流れる熱電発電機が好ましい。この実施形態において、特に低温流路が例えば管状で形成されることが想定される。ここで、冷却剤は管の内側を流れ、排気ガスは管の外側周囲を流れる。この構成において、半導体素子に熱を接触または伝導するための比較的大きな面積が高温の排気ガスに利用可能となることを確保する。従って特に、外側壁を介する排気ガスから半導体素子までの比較的低い熱移動が補償されることが可能である。

熱電発電機の１つの開発によれば、熱電素子が、互いから絶縁され、ＤＣ／ＤＣ変圧器により互いに接続される、ハウジングを有して具現化されるように構成されることが可能である。このような熱電発電機において、作動の間に個々の熱電素子が、各々、異なる電圧を生成することが可能である。これは、例えば、個々の熱電素子が、異なるタイプの半導体素子を有して具現化されるという事実によって低減され、その結果として、熱電素子は、熱電素子において各々予想される排気ガス温度に適合され、それによって、例えば、対応する温度依存性効率レベルを有する。それにも関わらず、ここで差異が生じる場合があり、互いに電気的に接続されている熱電素子に負の影響が、少なくとも１つのＤＣ／ＤＣ変圧器の使用によって回避される。ここで、ＤＣ／ＤＣ変圧器は、特にチョッパーコンバータであることが理解される。もちろん、同じ目的を果たす同様の要素が使用されてもよい。

熱電発電機はまた、熱電素子が各々、異なる温度依存性効率レベルを有する半導体素子を有して形成されるように具現化され得る。ここで、各熱電素子は、（単一の）タイプの対の半導体素子を有してそれぞれ具現化されることが好ましい。この対は、特に、半導体素子が、熱電素子の作動の間に広がる温度について最も高い起こり得る効率レベルを有するように選択される。予想される排気ガス温度または熱電素子の配置に関して、個々の熱電素子、または全ての熱電素子が、それぞれ広がっている温度に対応する、それぞれの異なる対の半導体素子を有してもよい。従って、例えば熱電発電機内の排気ガスの注入口に近接して、２５０℃以上の範囲において半導体素子はそれらの最適な効率レベルを有するが、一方で、例えば半導体素子は、流れが最後に通過する熱電発電機の部分において利用可能である約８０℃〜１００℃にてそれらの最適な効果範囲を有する。結果として、熱電発電機の全体の効率レベルが改良され得る。

冷却剤が流れる少なくとも１つのラジエータが熱電素子の下流に配置される熱電発電機もまた、好ましい。特定の適用状態において、熱電素子が最後のラジエータによって補足される場合、適切であり得る。これに関して、ラジエータは、例えば熱電素子と同様の方法で具現化されてもよく、さらなる半導体素子は提供されない。高温および低温流路の配置が、単にラジエータの外側形状のように維持されてもよい。適切な場合、ラジエータおよび熱電素子または形成される共通の冷却回路に関して同じ冷却剤を使用することも可能である。その結果として、この排気ガス処理ユニットの小型化および種々の部品を減らすことが維持される。

本発明および技術的環境は、図面を参照して以下により詳細に説明される。図面は本発明の特定の好ましい実施形態を示すが、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、自動車における熱電装置の実施形態の変形例を示す。図２は、熱電装置のモジュールの実施形態の変形例を示す。図３は、半導体素子の実施形態の変形例を示す。図４は、熱電装置のモジュールのさらなる実施形態の変形例を示す。図５は、半導体素子のさらなる実施形態の変形例を示す。図６は、熱電装置の実施形態の変形例を示す。図７は、モジュールの実施形態の変形例の詳細を示す。図８は、多段式の発電機の実施形態の変形例を示す。図９は、半導体素子の固定手段の詳細を示す。

図１は、内燃エンジン３５および排気システム３６を有する自動車３４における熱電装置３３の実施形態の変形例を示し、ここで、第２の流体２３、特に高温の排気ガスが熱電装置３３を流れる。熱電装置３３は、モジュール２を有する複数の熱電素子１を有する。これらのモジュール２は、第２の流体２３が高温側３８で、および冷却回路３７に割り当てられる第１の流体１４が低温側３９でオーバーフローする。熱電素子１の高温側３８はモジュール２の第１のキャリア層３で区切られている。同様に、低温側３９はモジュール２の第２のキャリア層４で区切られている。半導体素子７は、第１のキャリア層３と第２のキャリア層４との間の中間の空間５に配置される。さらに図１は、モジュールの密閉された部分１９を示し、その部分１９はここで、第１のキャリア層３および第２のキャリア層４によって区切られているか、または囲まれている。

図２は、熱電素子１のモジュール２の実施形態の変形例の詳細を示す。これに関して、モジュール２は、第１のキャリア層３および第２のキャリア層４を有して例示され、それらの間に中間の空間５を有し、そこに半導体素子７が、ｎ−ドープおよびｐ−ドープ半導体素子として既に配置されている。これらの半導体素子７は、既にはんだ材料１０により互いに電気的に接続されており、その結果として、ｎ−ドープおよびｐ−ドープ半導体素子の直列回路が生成される。ここで、はんだ材料１０ははんだ厚さ１２を有する。はんだ材料１０は、絶縁層の厚さ２６を有する電気絶縁層６によって第１のキャリア層３および第２のキャリア層から離間している。ここで、第１のキャリア層３は第１の厚さ２７を有し、特に第２のキャリア層４の第２の厚さ２８より小さく製造される。絶縁体幅２２を有する絶縁体２１は半導体素子７の間に配置され、半導体素子７を通る電子が通過するのを防ぐことを意図し、従って、半導体素子７の直列接続が、導体トラック４２を形成するはんだ材料１０によってのみ生じることを確保する。さらに、モジュール２は、半導体素子７でコーティングされ得、最も外側の半導体素子７で区切られる全体の面２５を有する。対照的に、コーティングされた面２４は、半導体素子７でコーティングされているモジュール２の面の構成要素の合計である。

図３は、半導体素子７の実施形態の変形例である。半導体素子７はダイまたはロッドの形態でここで具現化され、第１の接触面１５および第２の接触面１６を有し、それを介して、半導体素子７が、第１のキャリア層および第２のキャリア層に電気絶縁層を介して接続される。さらに、半導体素子７は、はんだ材料１０と接触する半導体素子７によって形成される流れ移動面１１を有し、そのはんだ材料１０により、モジュール内の個々の半導体素子が直列回路で互いに接続される。半導体素子７はまた側面２０を有し、その側面２０と共に、第１の接触面１５および第２の接触面１６が半導体素子７の部分１８を画定する。半導体素子７はまた、高さ１３を有する。

図４は、熱電素子１のモジュール２のさらなる実施形態の変形例を示し、熱電素子１および／またはモジュール２の管状の実施形態をここで示す。特に、第２の流体２３は内管４１を通して管状のモジュール２を流れる。結果として、ここで示した実施形態の変形例において、内管４１は熱電素子１の高温側３８を形成する。熱電素子１の低温側３９は第１の流体１４がオーバーフローし、その結果として温度ポテンシャルが半導体素子７によって形成される。管の内側円周面およびそれによる内管４１は第１のキャリア層３によって形成され、一方、モジュール２の外側円周面は第２のキャリア層４によってここで形成される。中間の空間５は、その中空の空間５を制限し、腐食作用の流体が侵入する可能性を防ぐために、充填材料４０によって密閉される。

図５は、半導体素子７のさらなる実施形態の変形例を示す。ここで、環状の半導体素子７が、外側円周面８および内側円周面９を有して示される。この半導体素子７は、特に、例えば図４に係る管状の熱電素子の使用に適切である。半導体素子７は、ここで、第１の接触面１５を介して第１のキャリア層に接続され、第２の接触面１６により第２のキャリア層に接続される。半導体素子７はまた、側面２０および内側円周面９と外側円周面８との間に形成される高さ１３を有する。環状の半導体素子７は、その外側円周面１５に流れ移動面１１およびその内側円周面１６にさらなる流れ移動面を有し、それらははんだ材料１０との接触によって形成される。

図６は、熱電素子１の実施形態の変形例を示し、複数のモジュール２は、はんだ接続４３によって互いに接続されて、熱電素子１を形成する。これに関して、特に、個々のモジュール２が起こり得る腐食作用の流体から確実に密閉される必要性がある。ここで、複数のモジュール２は熱電素子１を形成するように接続され、その結果として、熱電素子１は、電気エネルギーの供給または熱エネルギーの電気エネルギーへの変換に関して、異なる要件に適合できる。個々のモジュール２は接続手段４５により互いに電気的に接続され、その結果として、熱電素子１内の複数のモジュール２による半導体素子の直列接続も確保される。

図７は、モジュール２の好ましい実施形態の変形例の詳細を示し、軸方向３７に対して傾斜して配置されている半導体素子７がここで提供され、その半導体素子７は、軸補償要素２９を形成し、その結果として軸方向３１における熱膨張３０が、半導体素子７の傾斜位置を変化させることによって半径方向４４における熱膨張３０に少なくとも部分的に変換され得る。さらに、軸補償要素２９は、第１のキャリア層３（高温側３８）に提供され、互いから一定の距離３２で配置される。

図８は、多段式の発電機の実施形態の変形例を３３で示す。多段式の発電機は、ここで、排気ガスの流れの方向５２において互いの後に直接配置される３つの熱電素子１を有して具現化されている。熱電素子は、複数の管状の低温流路４７が貫通している排気ガスのための高温流路４６を形成し、その低温流路４７を通して冷却剤がクロスフロー熱交換器のように流れる。個々の熱電素子１は直列に接続され、ＤＣ／ＤＣ変圧器４８もまたここで提供される。熱電素子１と実質的に同様の設計で形成されるラジエータ４９が、流れの方向５２において熱電素子１の下流に配置されるが、ここで、低温流路４７の複雑な設計は実施されない。それにも関わらず、特にコンパクトな実施形態が実施され得る。高温の流路４６は例えば寸法９０ｍｍ×５０ｍｍで具現化され得る。冷却流路４７は、６ｍｍの内径および１４ｍｍの外径を有する二重壁の管のように具現化されてもよい。従って、例えば、排気ガスが５００℃の温度で侵入し、８０℃の温度で出て行く場合、約０．１Ｖが１対の熱電素子で生成でき、その結果として、１２〜１５ボルトの電圧が熱電素子１につき得られる。ここで、個々の熱電素子１は互いから電気的に絶縁される。

ここで、図９は、例えば低温側４または管形状で構成される低温流路の内壁への半導体素子７の固定手段の詳細を示す。はんだ材料１０は、この低温側４に提供され、柔軟性のある媒体５０、例えば金属発泡体または焼結材料は前記はんだ材料１０に固定される。柔軟性のある媒体５０は変形され得、その結果として、補償移動が、特に流路の軸および／または半径方向において可能となる。「寸法剛性（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｒｉｇｉｄｉｔｙ）」または変形挙動は、柔軟性のある媒体５０に（選択的に）導入され得る圧力媒体５１によって実施される。この圧力媒体５１は、例えば電気伝導性を有さない油である。柔軟性のある媒体５０および圧力媒体５１は、十分な熱伝導率の値を有することも好ましく、熱が低温側４から半導体素子７まで移動することを確保する。半導体素子７はまた、拡散層５３およびはんだ材料１０によりこの柔軟性のある媒体５０に固定される。作動中に半径方向の伸長が生じる場合、柔軟性のある媒体５０は圧縮され得、圧力媒体５１は、例えば均一な体積で出て行く。素子が再び冷却される場合、圧力媒体５１が柔軟性のある媒体５０に再び侵入するので、柔軟性のある媒体５０の膨張が生じるという事実によって収縮が補償され得る。

１熱電素子
２モジュール
３第１のキャリア層（高温側）
４第２のキャリア層（低温側）
５中間の空間
６絶縁層
７半導体素子
８外側円周面
９内側円周面
１０はんだ材料
１１流れ移動面
１２はんだ厚さ
１３高さ
１４第１の流体
１５第１の接触面
１６第２の接触面
１７最大積載量
１８部分
１９密閉された部分
２０側面
２１絶縁体
２２絶縁体幅
２３第２の流体
２４コーティングされた面
２５コーティング可能な全体の面
２６絶縁層の厚さ
２７第１の厚さ
２８第２の厚さ
２９軸補償要素
３０熱膨張
３１軸方向
３２距離
３３熱電発電機
３４自動車
３５内燃エンジン
３６排気システム
３７冷却回路
３８高温側
３９低温側
４０充填材料
４１内管
４２導体トラック
４３はんだ接続
４４半径方向
４５接続要素
４６高温流路
４７低温流路
４８ＤＣ／ＤＣ変圧器
４９ラジエータ
５０柔軟性のある媒体
５１圧力媒体
５２流れの方向
５３拡散障壁

Claims

複数の熱電素子（１）を有する熱電発電機（３３）であって、前記熱電素子（１）は、内燃エンジンからの排気ガスが前記熱電素子（１）を連続的に流れることができるように配置され、各々の前記熱電素子（１）は、前記排気ガスのための少なくとも１つの高温流路（４６）と冷却剤のための少なくとも１つの低温流路（４７）とを形成し、前記高温流路（４６）と前記低温流路（４７）との間に、複数のｐ−ドープおよびｎ−ドープ半導体素子（７）が接続され、かつ選択的な形態で絶縁され、少なくとも１つの前記熱電素子（１）において、前記半導体素子（７）の少なくとも一部が柔軟性のある媒体（５０）に固定される、熱電発電機（３３）。
圧力媒体（５１）が前記半導体素子（７）に少なくとも部分的に適用され得る、請求項１に記載の熱電発電機（３３）。
排気ガスが、前記少なくとも１つの低温流路（４７）の外側周囲に流れる、請求項１または２に記載の熱電発電機（３３）。
前記熱電素子（１）は、互いから絶縁され、かつＤＣ／ＤＣ変圧器（４８）により互いに接続されるハウジングを有して構成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱電発電機（３３）。
前記熱電素子（１）は、異なる温度依存性効率レベルを有する半導体素子（７）を有して各々形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱電発電機（３３）。
冷却剤が流れる少なくとも１つのラジエータ（４９）が、前記熱電素子（１）の下流に提供される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱電発電機（３３）。