JP6173443B2 - 熱電部品の製造のための方法および熱電部品 - Google Patents

Description

本発明は、熱電部品の製造のための方法および熱電部品自体に関する。

熱電モジュールは、個々にまたは多数で、熱電発電装置として用いられ、熱電発電装置は、温度ポテンシャルおよびその結果として生じる熱流から、電気エネルギーを生じさせる。電気エネルギーは、いわゆるゼーベック効果に基づいて生じる。熱電モジュールは、電気的に互いに接続されたｐドープおよびｎドープ熱電部品から、構成される。熱電部品は、いわゆるホットサイドおよび向かい合って配置されるコールドサイドを備え、それを通じて、熱電部品は、それぞれ、電気伝導的に交互に、隣り合って配置されるさらなる熱電部品に接続される。ホットサイドは、それに関し、高温媒体（例えば排ガス）の作用を受ける、熱電モジュールの壁に熱伝導的に接続される。対応して、熱電部品のコールドサイドは、低温媒体（例えば冷却水）の作用を受ける、熱電モジュールの別の壁に熱伝導的に接続される。

熱電発電装置は、特に自動車において使用されるが、温度ポテンシャルが、熱電発電装置の配置によって電気エネルギーの生成に利用され得る、他の技術領域においても使用される。

熱電部品は、熱電発電装置の作動中に、温度ポテンシャルにさらされ、熱電部品のホットサイドとコールドサイドとの間に、電気エネルギーの生成のために、熱流が流れるようになっている。さらに、熱電部品は、変動熱応力にさらされ、変動熱応力は、ホットサイドでおよびコールドサイドで変わる温度値の結果として生じる。この負荷により、熱電部品の故障が起きることもあり、電気エネルギーへの、熱エネルギーの変換の有効性が、少なくとも低下するようになっている。

本発明の課題は、従って、先行技術に関連して示された問題を、少なくとも部分的に解決することである。特に、熱電部品の製造のための方法が示されるべきであり、その方法により、耐久性のある、変動熱応力に対して頑丈な、熱電部品が、提供され得る。さらに、対応する熱電部品が提案されるべきであり、その熱電部品は、対応する負荷に対して永続的に耐えることが可能なように、作られる。

これらの課題は、請求項１の特徴による熱電部品の製造のための方法によって、および請求項５の特徴による熱電部品によって、解決される。本発明のさらに有利な構成は、従属請求項に示される。請求項に個々に挙げられた特徴は、任意の技術的に有意な方法で、互いに組み合わせ可能であり、本発明のさらなる実施形態を示すことが、指摘される。明細書は、特に図と関連して、本発明をさらに詳しく説明し、本発明の補足の実施例を挙げる。ここで提案される熱電部品の使用は、自動車に限定されないことが、さらに指摘される。本発明による方法についての以下の詳説は、技術的に有意な範囲で、本発明による熱電部品に相応に適用される。

本発明による、熱電部品の製造のための方法は、少なくとも以下のステップを含む：
ａ）少なくとも１つの繊維を提供するステップ、
ｂ）少なくとも１つの繊維を熱電材料でコーティングし、少なくとも１つのコーティングされた繊維が形成されるようにするステップ、
ｃ）少なくとも１つのコーティングされた繊維を、少なくとも巻いて中心軸を有するリングにするステップ、および、特にさらに、
ｄ）熱電部品を製造するために、リングを押し付けるステップ。

本方法は、望ましくは、ａ）〜ｃ）の順序で、特にａ）〜ｄ）の順序で相次いで実行され、特に、ステップａ）、ｂ）およびｃ）は、何度もおよび／または互いに並行して行われてもよい。特に、本方法は、さらなるステップをその間に含み、例えば、繊維の、コーティングされた繊維の、および／またはリングの、処理のためである。

繊維は、特に、以下の特性の少なくとも１つを備える：長く延びている、糸状である、弾力性がある、望ましくは丸い横断面、望ましくは繊維の直径よりも１００倍大きい長さ、直径最小０．５マイクロメートル、直径最大５マイクロメートル。特に、本方法は、ちょうど１つの、望ましくはしかし多数の、熱電部品の製造のための繊維が、用いられることを含む。

望ましくは、少なくとも１つの繊維は、非熱電材料から成り、特にセラミック材料から成る。それに関し、特に、以下の材料が提案され、以下の材料は、個々に、または互いに組み合わせても、使用され得る：酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム。

特に、ステップｂ）で熱電材料が用いられ、熱電材料は、以下の材料の少なくとも１つを有する：

特に有利な構成の１つによると、少なくとも１つの繊維は、少なくとも１つの材料特性に関し、熱電材料に調和して設計される。特に、少なくとも１５０℃〜６００℃の温度範囲で、繊維の、および熱電材料の、熱膨張係数は、互いに一致し、望ましくは最大１０％、特にほんの最大２％、互いに異なる。

望ましくは、少なくとも１つの繊維は、以下の材料特性を示す：
・繊維の材料が、熱電材料よりも高い強度を有する；
・１００Ｎ／ｍｍ^２［ニュートン毎平方ミリメートル］よりも大きい、繊維の材料の引張強さ
・５００Ｎ／ｍｍ^２よりも大きい、繊維の材料の圧縮強さ

熱電材料での、少なくとも１つの繊維のコーティングは、望ましくは、繊維への熱電材料の蒸着により、例えば、ＣＶＤ（化学蒸着）またはＰＶＤ（物理蒸着）法で、行われる。しかし他の方法も、コーティングのステップに使用可能である。

望ましくは、少なくとも１つのコーティングされた繊維は、中心軸を有するリングになるように巻かれ、少なくとも１つのコーティングされた繊維が、中心軸の回りに巻かれるようになっている。特に、少なくとも１つの繊維は、追加的に折り畳まれる。特に、リングは、内径と外径とを有する。特に、本方法により、（円柱状の）ディスク要素が製造され、それは従って内径を有しない（つまり、０ｍｍの内径を有するリング）。

リングの、または少なくとも１つのコーティングされた繊維の、オプションで提案される圧縮は、特に、少なくとも２５０℃の温度［セルシウス度］で行われ、望ましくは、リングの製造のために、少なくとも２ｂａｒの圧力が適用される。望ましくは、５００℃よりも大きい温度であり、少なくとも２．５ｂａｒの圧力である。

熱電部品の製造のために、繊維のコーティングのための熱電材料の他に、さらなる熱電材料も、特にステップｃ）でまたはの後で、付け加えられることが確かに可能であり、熱電部品が、（圧縮された）コーティングされた繊維のみから成るのではなく、追加的に熱電材料がリングを形成するようになっている。望ましくは、熱電部品は、しかし独占的に、少なくとも１つのコーティングされた繊維によって形成される。

特に有利な構成の１つによると、ステップｄ）の後に作り出された熱電部品は、第１の広がりを軸方向に沿って有し、ステップｄ１）で、分割プロセス（例えば切断）により、いくつかの（少なくとも２つの）、それぞれ、より小さい第２の広がりを有するリングに、軸方向に分けられる。

特に、第１の広がりは、少なくとも２ｍｍであり、望ましくは少なくとも１０ｍｍである。第２の広がりは、対応して少なくとも１．０ｍｍである。

特に、ステップｃ）の後にステップｃ１）が行われることも可能であり、ステップｃ１）では、ステップｃ）で作り出されたリングは、分割プロセスにより、いくつかの（少なくとも２つの）リングに分けられる。それに対応して、ステップｄ）の後に作り出された熱電部品は、それから、さらに分割されない。特に、本方法により製造されたディスク要素の場合、内径がさらなるステップで導入される。このステップは、望ましくは、ステップｃ）、ｃ１）またはｄ）に続けて行われる。

特に、少なくとも１つのコーティングされた繊維は、製造された熱電部品の周囲方向に、少なくとも１２０°［度（角）］の、望ましくは少なくとも３６０°の、特に望ましくは少なくとも４２０°の、角度範囲にわたって延びる。特に、少なくとも２つのコーティングされた繊維は、周囲方向に、少なくとも５°の角度範囲にわたって重なる。それによって、熱電材料が、繊維によりもたらされる、有利な材料特性を備えることが、保証される。

本発明によって、熱電材料でコーティングされた少なくとも１つの繊維を備える熱電部品が、さらに提案され、熱電部品は、環状に形成され、少なくとも１つのコーティングされた繊維は、周囲方向に、少なくとも１２０°の、望ましくは少なくとも３６０°の、特に望ましくは少なくとも４２０°の、角度範囲にわたって延びる。特に、熱電部品は、本発明による方法に従って製造される。

望ましくは、熱電部品の２０〜８０重量％を非熱電材料が占め、特に３５〜６５重量％である。熱電部品の有利な構成の１つによると、非熱電材料は、２０℃〜６００℃の温度範囲で、以下のグループから少なくとも１つの特性を有する：
‐熱電材料よりも高い引張強さＲ_ｍおよび／または降伏点Ｒ_ｐ０．２、
‐熱電材料よりも少ない比熱伝導度［ワット／（ケルビン・メートル）］、
‐熱電材料よりも少ない電気伝導度［アンペア／（ボルト・メートル）］。
望ましくは、さらに、これらの特性のいくつかまたは全てがある。

特性は、例えば、引張強さの改善、（場合によっては、局部的に所定のまたは適応した）熱伝導度および／または適応した電気伝導度、のような、熱電部品の所望の機能を、援助し、最後の特性は、特に、熱電部品の効率の改善のために使用されることができる。

特に、非熱電材料が、ここでは断熱材として熱電部品内に配置されることが、予定される。

特に、非熱電材料が、電気伝導体として使用されない、ここではつまり熱電材料の機能（ゼーベック／ペルティエ効果）を果たさないことが、予定される。特に、熱電効果は、熱電材料によってのみ、熱電部品で引き起こされる。

特に、熱電部品内での非熱電材料の使用により、対応する熱電部品で構成された熱電モジュールの熱伝導度が、１つの作動点で、熱電モジュールにわたる、つまりホットサイドとコールドサイドとの間の、全温度差（排ガスと冷媒との間）の、２０％〜８０％、特に３５％〜６５％、に低下するように調節されることが、可能になっている。これに関連して、独国特許出願公開第１０２０１００３０２５９Ａ１号明細書が参照され、その内容全体が、技術的事情の説明のために、ここで引き合いに出される。その文書での「異物」についての言及は、ここでは「非熱電材料」に関連する。

ここで提案された方法および熱電部品は、熱電材料でコーティングされた繊維の特別な配置により、特徴付けられる。特にセラミック材料から成るこの繊維により、変動熱負荷に対する機械的強度および耐久性が明らかに高められ、耐久性のある熱電モジュールが、提供されることができるようになっている。特に、少なくとも１つの繊維により、リングの周囲方向における力が吸収される。望ましくは、このように、熱電材料のクリープが、減少する、または完全に阻止されさえする。

さらに自動車が提案され、自動車は、少なくとも、内燃機関と、排ガスシステムと、熱電モジュールと、を有し、熱電モジュールは、本発明による少なくとも１つの熱電部品、または、本発明による方法に従って製造された少なくとも１つの熱電部品、を備える。熱電モジュールは、排ガスの熱エネルギーから電気エネルギーを生じさせるように、設計される。

本発明および技術周辺は、以下で図に基づいてより詳細に説明される。図は特に好ましい実施形態を示すが、本発明はそれに限定されない。図では、同じ対象に同じ参照符号が用いられる。図では、概略的に示している。

本方法のステップａ）による繊維を示す。 本方法のステップｂ）による、コーティングされた繊維を示す。 図３は、本方法のステップｃ）による、巻かれた、コーティングされた繊維４を、平面図で示す。 本方法のステップｃ）による、巻かれた、コーティングされた繊維４を、側面図で示す。 本方法のステップｄ）による、熱電部品を示す。 本方法のステップｄ１）による、熱電部品を示す。 自動車を示す。

図１は、熱電部品１の製造のための本方法のステップａ）による、繊維２の提供を示す。

図２は、本方法のステップｂ）によって製造された、コーティングされた繊維４を示し、繊維２は、熱電材料３でコーティングされた。

図３は、本方法のステップｃ）による、巻かれた、コーティングされた繊維４を示す。ここでは、巻かれた、コーティングされた繊維４は、平面図で示される。コーティングされた繊維４は、リング５になるように巻かれており、コーティングされた繊維４は、周囲方向９に、角度範囲１０にわたって延びる。

図４は、本方法のステップｃ）による、巻かれた、コーティングされた繊維４を、側面図で示す。コーティングされた繊維４は、リング５を形成するように中心軸６周りに巻かれた。

図５は、本方法のステップｄ）によって製造された、熱電部品１を示す。中心軸６を有するリング５は、装置１８で、少なくとも１つの押圧力１７により、熱電部品１になるように圧縮される。熱電部品１の示された断面では、コーティングされた繊維４の繊維２が見られる。

図６は、本方法のステップｄ１）の後の熱電部品１を示す。それに関し、リング５の形で設けられ、軸方向８に沿って第１の広がり７にわたって延びる、熱電部品１は、分割１９によって２つの熱電部品１に分けられる。かかる熱電部品１は、分割１９の後に、それぞれ、より小さい第２の広がり１６を有する。熱電部品は、内径２２と外径２３とを有する。

図７は、内燃機関１３および排ガスシステム１４を有する自動車１２を示し、排ガスシステム１４には、熱電モジュール１１が配置されている。排ガス１５は、内燃機関１３から、排ガスシステム１４および熱電モジュール１１を通って、周囲に流れる。冷却装置２０は、冷却のために、内燃機関１３に、および熱電モジュール１１に、接続される。低温媒体２１は、冷却装置２０から、熱電モジュール１１の方へ、流れる。熱電モジュール１１は、管状に構成され、環状の熱電部品１を備え、環状の熱電部品１は、軸方向に沿って連続して配置される。熱電モジュール１１は、内側管路に、コールドサイドを備え、コールドサイドを低温媒体２１が流れ通る。ホットサイドは、ここでは外側表面に配置される。外側表面で、熱電モジュール１１は、排ガス１５に当たる。温度ポテンシャルが、熱電モジュール１１にわたり、排ガス１５と低温媒体２１との間に相応に成立し、熱電部品１によって電流が生成されるようになっている。

１ 熱電部品
２ 繊維
３ 熱電材料
４ コーティングされた繊維
５ リング
６ 中心軸
７ 第１の広がり
８ 軸方向
９ 周囲方向
１０ 角度範囲
１１ 熱電モジュール
１２ 自動車
１３ 内燃機関
１４ 排ガスシステム
１５ 排ガス
１６ 第２の広がり
１７ 押圧力
１８ 装置
１９ 分割
２０ 冷却装置
２１ 低温媒体
２２ 内径
２３ 外径

Claims (6)

1. 熱電部品（１）の製造のための方法であって、少なくとも以下のステップ：
   ａ）少なくとも１つの繊維（２）を提供するステップと、
   ｂ）少なくとも１つの繊維（２）を熱電材料（３）でコーティングし、少なくとも１つのコーティングされた繊維（４）が形成されるようにするステップと、
   ｃ）少なくとも１つのコーティングされた繊維（４）を、少なくとも巻いて中心軸（６）を有するリング（５）にし、少なくとも１つのコーティングされた繊維（４）が、少なくとも３６０°の角度範囲（１０）にわたって中心軸（６）の回りに巻かれるようになっている、ステップと、
   ｄ）熱電部品（１）を作り出すために、少なくとも２ｂａｒの圧力で、リング（５）を押し付けるステップと、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、ステップｄ）で作り出された熱電部品（１）は、第１の広がり（７）を軸方向（８）に沿って有し、ステップｄ）の後に行われるステップｄ１）で、分割プロセスにより、それぞれがより小さい第２の広がり（１６）を有する複数の熱電部品（１）に、軸方向（８）に分けられる、方法。
3. 請求項１または２に記載の方法であって、少なくとも１つのコーティングされた繊維（４）は、熱電部品（１）の周囲方向（９）に、少なくとも３６０°の角度範囲（１０）にわたって延びる、方法。
4. 請求項１〜３の１つに記載の方法であって、少なくとも１つの繊維（２）は、セラミック材料から成る、方法。
5. 熱電部品（１）であって、少なくとも１つの、熱電材料（３）でコーティングされた繊維（４）を備え、熱電部品（１）は、環状に形成され、少なくとも１つのコーティングされた繊維（４）は、周囲方向（９）に、少なくとも３６０°の角度範囲（１０）にわたって延び、
   繊維（４）のおよび熱電材料（３）の熱膨張係数は、１５０℃〜６００℃の温度範囲で、最大１０％互いに異なる、熱電部品。
6. 自動車（１２）であって、少なくとも、内燃機関（１３）と、排ガスシステム（１４）と、熱電モジュール（１１）と、を備え、前記熱電モジュール（１１）は、請求項５に記載の少なくとも１つの熱電部品（１）を備え、排ガス（１５）の熱エネルギーから電気エネルギーを生じさせるように作られている、自動車。

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