JP6173445B2 - 熱電モジュールおよびその動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱電モジュールに、および熱電モジュールを動作するための方法に関する。

熱電モジュールは、個々に使用されることができて、または、温度ポテンシャルから、そして結果として生じる熱流から電気エネルギーを発生させる熱電発電機として、かなりの数において使用されることができる。電気エネルギーは、いわゆるゼーベック効果に基づいて発生する。熱電モジュールは、電気的に相互接続されたｐドープトおよびｎドープト熱電材料から造られる。熱電材料は、いわゆる高温側および反対側に配置される低温側を有する。そしてそれらは、隣接して配置されるさらなる熱電材料に対して交互のやり方で、いずれの場合も導電性のやり方において接続される。ここで、高温側は、熱媒体によって影響を及ぼされる熱電モジュールの壁に対して熱伝導のやり方で接続される。対応して、熱電材料の低温側は、冷却媒体によって影響を及ぼされる熱電モジュールの他の壁に対して熱伝導のやり方で接続される。

この種の熱電発電機は、自動車両において特に使用されるが、熱電発電機の配置を通して電気エネルギーの発生のために温度ポテンシャルが利用可能な他の技術分野においても使用される。

熱電発電機の使用において、電気エネルギーへの熱エネルギーの変換に関するドロップイン効率は、熱電発電機の有効寿命にわたって一般に観察される。動作中に発生するこの劣化現象は、熱電材料と熱電モジュールの第１の壁に対するおよび／または第２の壁に対するさらなる接続層との間の接続が次第に悪化するという事実に特に帰することができる。熱伝導および／または導電性接続のこの劣化は、熱電モジュールが定期的な変動または温度および温度ポテンシャルの変化を受けるという事実によって特に生じる。熱電モジュールは、変動する熱膨張および結果として生じる熱応力によって対応して負荷を受ける。さらに、前記負荷は、個々の接続層の異なる熱膨張係数によって強化される。

したがって、従来技術に関して強調される課題を少なくとも部分的に解決することは、本発明の目的である。特に、長い有効寿命にわたって電気エネルギーへの熱エネルギーの変換において一様に高い効率を呈する熱電モジュールを特定しようとする。さらに、効率が次第に低下することのない熱電モジュールの長い有効寿命を実現することを同様に可能にする熱電モジュールを動作するための方法を特定しようとする。

前記目的は、請求項１のまたは請求項２の特徴による熱電モジュールによって、そして、請求項７による熱電モジュールの動作のための方法によって達成される。本発明の有利な実施形態は、従属する特許クレームにおいて特定される。請求項において個々に特定される特徴がいかなる所望の技術的に好都合な仕方で互いに組み合されてもよく、本発明のさらなる実施形態を形成してもよい点に留意する必要がある。記載は、特に図に関連して、本発明をさらに説明して、本発明の補助的な例示的実施形態を特定する。熱電モジュールに関して記載される実施形態が熱電モジュールを動作するための方法に技術的に好都合な仕方で同様に適用されることができる、そして逆もまた同じであるとも指摘される。

本発明の熱電モジュールは、第１の壁、反対側に配置される第２の壁、熱電材料から成り、導電性のやり方で互いに接続されて間に置かれる複数のエレメントを少なくとも有する。さらに、すべてのエレメントを互いに離間させる充填材料が設けられる。ここで、主たる熱流方向は、第１の壁によって形成される高温側から第２の壁まで延びる。熱電モジュールの動作中に、高温側で少なくとも５０〜６００℃［摂氏度］の温度範囲において、主たる熱流方向においてエレメント上に作用する第２の圧縮応力が、少なくとも第１の限界応力を超えないか、または少なくとも第２の限界応力を超えないと定められる。第１の限界応力は、それを超えると、用いる熱電材料の横収縮が始まる、熱電材料から成るエレメントの（温度依存）特性である。第２の限界応力は、それを超えると、用いる熱電材料の塑性変形が始まる、熱電材料から成るエレメントの（温度依存）特性である。

特に、第２の限界応力に達するときに、熱電材料の横収縮は、すでに始まっている。

本発明のさらなる熱電モジュールは、第１の壁、反対側に配置される第２の壁、熱電材料から成り、導電性のやり方で互いに接続されて間に置かれる複数のエレメントを少なくとも有する。さらに、すべてのエレメントを互いに離間させる充填材料が設けられる。主たる熱流方向は、第１の壁から第２の壁まで延びる。熱電モジュールは、少なくとも、第１の壁と第２の壁との間の温度ポテンシャルが少なくとも５０ケルビン、特に少なくとも２００ケルビンである範囲において、主たる熱流方向に対して垂直な第１の圧縮応力が主たる熱流方向における第２の圧縮応力の少なくとも５０％、特に少なくとも７５％、および好ましくは少なくとも等しい（１００％を超過）であるように、熱電モジュールが少なくとも１つの圧縮力によって補強される。特に、第１の圧縮応力（および好ましくは第２の圧縮応力も）は、この場合、熱電モジュールの範囲内のエレメントの大部分に、好ましくはすべてに作用する。

本発明の上述の特徴は、互いに組み合わせて設けられてもよい。

本発明は、熱電モジュールの異なる実施形態に適用可能である。これらは、特に管状構造の熱電モジュールまたはプレートタイプ構造の熱電モジュールを含む。例えば、管状熱電モジュールの場合、環状の熱電材料が用いられてもよい。

特に、第１の壁は、熱電モジュールの高温側に割り当てられる。そしてそれは、したがって、熱媒体（例えば排気ガス）によって影響を及ぼされる。対応して、熱電モジュールの第２の壁は、低温側に割り当てられる。そしてそれは、冷却媒体（例えば冷却水）によって影響を及ぼされる。温度ポテンシャルは、特に５０Ｋ［ケルビン］〜６００Ｋの範囲において、動作中に熱媒体と冷却媒体との間に一般に広がる。熱電材料から成るエレメントは、第１の壁と第２の壁との間に配置される。熱電材料は、高温側または低温側を対応して面する２つの反対側を有する。そうすると、温度ポテンシャルは、熱電材料全体を形成して、それに対応して、主たる熱流方向は、高温側から低温側まで発生する。ゼーベック効果のせいで、そしてｎドープトおよびｐドープト熱電材料の交互の導電性接続のせいで、電流は、前記温度ポテンシャルからの熱電モジュールの範囲内で発生する。熱電材料から成るこの種のエレメントの電気的相互接続の基本構造は、当業者に知られている。必要に応じて、これに関するさらなる情報は、出願人の先行文献から集められてもよい。

熱電エレメント間の充填材料は、第１に、特に相互に隣接して配置される熱電材料の電気的絶縁として、および／または、第２に、高温側と低温側との間の断熱として役立つ。そうすると、熱流の大部分は、熱電エレメントを介して伝導される。利用可能な温度ポテンシャルからの熱エネルギーの電気エネルギーへの効率的な変換は、したがって、可能である。

第２に、充填材料は、相互に隣接して配置される熱電材料を互いに離間させる間隔のために、換言すれば、すべての動作条件下で前記熱電材料を（予め定められた）間隔に維持するために、特に設けられる。特に、充填材料は、したがって、空気または真空によって形成されるのではなく、しかし、熱電材料の位置を互いに関して永久に固定する少なくとも１つの固体によって形成される。熱電材料と第１の壁および／または第２の壁との間に、および／または熱電材料と充填材料との間にも、さらなるコンポーネントまたは接続層が配置されてもよい。そしてそのさらなるコンポーネントまたは接続層は、例えば腐食の防止、固定した（例えば接着力）接続の生成、導電層の提供、熱伝導層の提供、電気的絶縁および／または断熱、などの特定のタスクを遂行する。

充填材料として、特に、マイカまたは圧力耐性セラミックが使用されてもよい。使用するセラミックは、好ましくはセラミック中空体の形である。さらに、使用する充填材料は、二重Ｔ形のプロファイルの形状でもよい。使用する充填材料は、好ましくは寸法的に堅い構造の形であり、特にフレームワーク様の構造の形である。その中に設けられるキャビティは、特に空気、ガスまたは真空で満たされる。

広がる温度ポテンシャルによって生じる熱負荷のせいで、そして特に関連する熱応力のせいで、熱電材料が横収縮についての増加した傾向および／またはクリープについての傾向または塑性変形についての傾向を呈することが、目下述べられた。そしてそのいずれの場合も、熱電材料と特に第１の壁に対する、および第２の壁に対するさらなる接続層との間の接続の劣化に至る。前記熱応力は、実質的に寸法的に安定な熱電モジュールにおける熱電材料の配置によっても特に生じる。そうすると、熱電材料は、応力の下でだけ膨張することができる。

高温側で少なくとも５０℃〜６００℃［摂氏度］の温度範囲において、主たる熱流方向においてエレメント上に作用する第２の圧縮応力が第２の限界応力を超えないように熱電モジュールが特に造られることによって、前記クリープ傾向／塑性変形は、目下減少されることができるかまたは除去されることができる。第２の限界応力は、熱電材料上に作用する応力である。そしてそれで、用いる熱電材料の塑性変形は始まる。

高温側で少なくとも５０℃〜６００℃［摂氏度］の温度範囲において、主たる熱流方向においてエレメント上に作用する第２の圧縮応力が第１の限界応力を超えないように熱電モジュールが特に造られることによって、横収縮は、目下減少されることができるかまたは除去されることができる。第１の限界応力は、熱電材料上に作用する応力である。そしてそれで、用いる熱電材料の弾性変形はすでに始まる。

横収縮は、ほぼ変わらない量を有する固体の変形の現象である。それは、引張力または圧縮力（この場合、第２の圧縮応力）の影響下で固体のふるまいを記載する。固体は、力（この場合、第２の圧縮応力）の方向における長さの変化（この場合、主たる熱流方向の短縮）によって、そして、それに垂直な（主たる熱流方向に対して垂直な方向の）直径または厚みの減少または増加（この場合、広がり、すなわち熱電材料の厚みの増加）によって反応する。１軸の引張力下での長さの変化は、線形に弾性レンジにおいて、単純化したフックの法則によって定義されることができる。しかしながら、その単純化したフックの法則は、厚みの変化に関していかなる情報も与えない。

特に、第１の限界応力は、第２の限界応力よりも（かなり）低い。

この種の構造にとって、第１の壁および／または第２の壁のための材料が熱膨張、熱伝導および強さに関して熱電材料および／または充填材料によって調整されることは、特に必要である。特に、熱電モジュールの構造の構造設計を適合させることは、加えて必要でもよい。例えば、第１の壁のおよび／または第２の壁の弾性変形を許容する膨張要素が設けられてもよい。そうすると、エレメントに作用している（第２の）圧縮応力は最小化される。

第１および第２の限界応力は、いずれの場合も特に用いる熱電材料に特有であり、そして、特に熱電材料の温度に少なくとも依存する。さらに、第１および第２の限界応力は、熱電材料の膨張（第１／第２の限界応力の場合）の方向またはクリープ傾向（第２の限界応力の場合）の方向に対して反対に熱電材料上に作用している応力に依存する。これは、熱電材料上に作用している第１の圧縮応力が増加する場合、熱電材料の第１および第２の限界応力が影響されうる（増加する）ことを特に意味する。例えば、熱電材料間の充填材料が加熱されるときに熱電モジュール全体としてよりも主たる熱流方向に対して垂直な方向においてより強く膨張するという事実によって、これは、自動調整のやり方において特に起こる。

下記の熱電材料は、定まった温度で、そして、さらなる圧縮荷重（例えば、加えて第１の圧縮応力の結果として）なしで、それを超えると塑性変形が予想される以下の第２の限界応力を呈する。
Ｐｂ_２Ｔｅ_３（ｎドープト）：室温で１００Ｎ／ｍｍ^２
３００℃で４０Ｎ／ｍｍ^２
Ｐｂ_２Ｔｅ_３（ｐドープト）：３００℃まで塑性変形なし
ＢｉＴｅ（ｎドープトまたはｐドープト）：室温で１１０Ｎ／ｍｍ^２
２５０℃で３０Ｎ／ｍｍ^２
ＣｏＳｂ_４（ｎドープトまたはｐドープト）：３００℃まで塑性変形なし
５００℃で３００Ｎ／ｍｍ^２

熱電モジュールのさらなる実施形態において、第１の圧縮応力が主たる熱流方向に対して垂直なエレメント上に作用するように、少なくとも圧縮力によって作用されている熱電モジュールによって、横収縮および／またはクリープ傾向／塑性変形は、減少されることができるかまたは除去されることができる。可能な限りエレメントのうちのかなりの数またはすべてが前記圧縮力によって作用されることがここで好ましい。これは、定まった温度ポテンシャルが広がる範囲において少なくとも起こる。そうすると、前記第１の圧縮応力は、次いで、主たる熱流方向における第２の圧縮応力の少なくとも５０％に達する。

第２の圧縮応力は、第１の壁から第２の壁までの方向、すなわち主たる熱流方向における熱電材料の隙間のない配置のせいで、特にもたらされる。温度ポテンシャルは、第１の壁と第２の壁との間に配置される熱電モジュールのそれらのコンポーネントの熱膨張に結果としてなる。そうすると、主たる熱流方向における第２の圧縮応力は、発生するかまたは増加する。前記第２の圧縮応力は、主たる熱流方向における個々のコンポーネントの熱膨張に反対に作用して、特に熱電材料の場合、膨張（横収縮の結果として）におよび／または主たる熱流方向に対して垂直な方向のクリープ傾向に至る。横収縮および／またはクリープ傾向は、驚くべきことに、主たる熱流方向に対して垂直な少なくとも第１の圧縮応力の適用によって、減少されることができるかまたは完全に除去されることができる。特に、前記横収縮および／または前記クリープ傾向が主たる熱流方向に対して垂直なすべての方向において減少されるかまたは完全に除去されるように、さらに第１の圧縮応力は、対応して提供されなければならない。移動補償手段を用いて熱膨張を許容する従来の考えに反して、熱電モジュールの場合、エレメント用の一種の圧縮フレームが有効寿命にわたって改良された効率につながることが初めてこのように認識もされた。

熱電モジュールの１つの有利な実施形態において、少なくとも５０℃〜６００℃の温度範囲で、充填材料は、熱電材料よりも大きい熱膨張係数を有することが提供される。充填材料は、少なくとも主たる熱流方向に対して垂直な方向において、熱電材料が充填材料を介して（そして適切な場合、さらなるコンポーネントまたは接続層を介して）互いにサポートされるように、すなわち特にこの方向において互いに隙間なく配置されるように、熱電材料間に配置される。充填材料は、したがって、互いに関してそれらのそれぞれの位置において熱電材料を固定する。熱電材料よりも大きい熱膨張係数によって構成されている充填材料のせいで、充填材料および加熱されている熱電モジュールにおけるさらなるコンポーネントの場合、主たる熱流方向に対して垂直な方向における圧縮力または圧縮応力が発生する（動作中の最初の時）かまたは（著しく）増加することは、可能である。特に、主たる熱流方向に対して垂直なこの方向において熱電モジュールの実質的に寸法的に安定な設計を確実にすることが、この目的のために必要である。エレメントのほとんど（またはすべて）が十分な圧縮応力によって作用されるように、圧縮応力が熱電モジュールの範囲内で対応して発生するように、圧縮力が熱電モジュールに対して外部的に適用されることは、次いで必要ない。その代わりに、前記圧縮応力は、熱電材料との交互作用において充填材料によってエレメントのほとんど（またはすべて）の間に発生することができる。

熱電モジュールのさらに有利な実施形態において、少なくとも５０℃〜６００℃の温度範囲で、充填材料は、熱電材料よりも低い熱伝導率［ワット／（メートル＊ケルビン）］を呈することが提供される。特に、充填材料の熱伝導率の値は、熱電材料の値の多くても１０％、好ましくは多くても１％に達する。

熱電モジュールのさらに有利な実施形態は、少なくとも主たる熱流方向と平行な方向において見て、充填材料は、第１の壁と第２の壁との間の中間スペースを完全には満たさないことが提供される。充填材料が互いに関して熱電材料の位置を固定するが、しかし同時に、いずれの場合も隣接して配置された熱電材料の面する熱電材料のその側面の全体をカバーしない場合、それは特に有利である。特に、前記側面の多くても８０％、好ましくは多くても５０％、そして特に好ましくは多くても２０％は、充填材料によって圧縮応力を受ける。これは、単一のモジュールのすべてのエレメントまたは熱電材料に等しくあてはまる必要があるわけではない。圧縮力または圧縮応力は、充填材料を介して熱電材料に伝えられる。特に、第１の壁と第２の壁との間の断熱は、充填材料の対応する配置を通して特に有利な仕方で実施することができる。そして、充填材料は、この断熱特性を命令的に与える必要はない。例えば、空気、真空またはいくらかの他の熱的に絶縁する材料が、充填材料に加えて用いられてもよい。

熱電モジュールの１つの有利な実施形態において、主たる熱流方向に対して垂直な方向において熱電モジュール上に圧縮力を生成するための補強デバイス（ｂｒａｃｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）は、低温側上に配置されることが提供される。特に、前記配置は、例えば第２の壁に接続している補強デバイスから成る。前記補強デバイスは、第１の壁に関して熱的に絶縁されるように特に設計される。このようにして、広くゆきわたる温度ポテンシャルにもかかわらず、補強デバイスは、低熱膨張を呈して、問題の温度範囲にわたって主たる熱流方向に対して垂直な方向における熱電モジュールの寸法安定を確実にすることができる。補強デバイスは、特に機械的または油圧デバイスでもよい。特に、前記補強デバイスは、問題の温度範囲において、熱電材料および充填材料に関して（実質的に均一のまたは適している）圧縮力が補強デバイスによって発生されることができるように、低温側のまたは第２の壁の特に寸法的に剛性設計によって形成される。

特に、補強デバイスは、第１の壁（高温側）上に（加えて）設けられる。

補強デバイスは、特に、変形が進むとともに、対応してより高い圧縮応力を熱電モジュールにもたらすことができる弾性的に変形可能なエレメントから成ってもよい。例えば、熱電モジュールの膨張が進むとともに、または主たる熱流方向に対して垂直な方向におけるエレメントの膨張によって、対応して増加する圧縮応力を発生させる圧縮ばねが設けられてもよい。前記増加する圧縮応力の結果、主たる熱流方向に対して垂直な方向における弾性膨張または熱電材料の塑性変形は、減少されるかまたは防止される。

本発明は、熱電モジュールの動作のための方法であって、熱電モジュールは、第１の壁および第２の壁を有し、そして、熱電材料から成り、導電性のやり方で互いに接続されて間に置かれる複数のエレメントを有する、方法にも向けられる。熱電モジュールの動作の間、温度ポテンシャルは、第１の壁と第２の壁との間に広がる。そして、対応して、主たる熱流方向は、第１の壁から第２の壁まで延びる。動作のための方法は、少なくとも、
ａ）第１の壁と第２の壁との間に温度ポテンシャルを生成するステップ、
ｂ）主たる熱流方向に対して垂直な第１の圧縮応力であって、エレメントの少なくとも大多数に作用する、第１の圧縮応力を生成するための少なくとも１つの圧縮力を適用するステップ、
ｃ）少なくとも、第１の壁と第２の壁との間の温度ポテンシャルが少なくとも５０ケルビンである範囲において、第１の圧縮応力が主たる熱流方向における第２の圧縮応力の少なくとも５０％であることを確実にするステップ、
を有する。

それぞれの熱電モジュールに関して作られる文章は、熱電モジュールを動作するための方法に対応して適用する。そして、逆もまた同じである。特に、本発明によるここで記載される方法は、いずれの場合も本発明による熱電モジュールの動作のために適している。

ステップａ）による温度ポテンシャルの生成は、第１の壁上の熱媒体の影響を及ぼすこと、および第２の壁上の冷却媒体の影響を及ぼすことを含む。特に、排気ガスまたは液状媒体は、熱媒体として提供されなければならない。そして、例えば、水または類似の液体（でなければ、ガス状媒体）は、冷却媒体として提供されなければならない。

ステップｂ）は、少なくとも圧縮力の適用を含む。そしてそれは、補強デバイスによって熱電モジュールに対して特に外部的に適用されてもよく、および／または、例えば熱電材料の、および充填材料の対応する膨張係数によって熱電モジュールの範囲内で発生されてもよい。

ステップｃ）による圧縮応力の比率を確実にすることは、動作の開始の前でさえ、特に熱電モジュールの対応する構造設計を含む。特に、確実にするステップは、第１のおよび／または第２の圧縮応力がなんとかして算出されるか、測定されるかまたは決定されるように、そして、対応する第１の圧縮応力が発生されるように、監視するおよび対応する動きを含む。特に、「確実にする」は、圧縮力（適切な場合、動作中も）の監視、設定および／または適合を意味すると理解されるべきでもある。

方法の１つの有利な実施形態において、主たる熱流方向に対して垂直な第１の圧縮応力は、少なくとも１つの圧縮力の外部調節を通して影響される。前記外部調節は、例えば、調節可能な機械的および／または油圧的圧縮力が発生することができる補強デバイスを通して実現されてもよい。

１つの有利な実施形態において、第１の圧縮応力は、自動調節のやり方において変化する。これは、熱電材料および充填材料の材料特性の対応する構成を通して特に確実にされてもよい。ここで、「自動調節」は、圧縮応力の能動的な外部調節が遂行されないことを特に意味する。そしてその代わりに、特に、定義済みの圧縮応力比が異なる温度範囲において熱電モジュールの動作中に自動的にまたは受動的に適応するように、設計は構成される。外部調節および自動調節手段は、互いに特に都合よく組み合わされる。

さらに、本発明による熱電モジュールを少なくとも２つ有する熱電発電機は、提唱される。熱電モジュールは、熱電発電機の（特に単一）コンポーネントによって、第１の圧縮応力を生成するための少なくとも１つの圧縮力と共同で作用される。熱電発電機のすべての個々の熱電モジュールがそれぞれ個々に生成された圧縮力によって作用されるのではなく、そしてその代わりに、例えば、複数の熱電モジュールが同時に対応して作用されることができるように、共通の補強デバイスが構造的に設計されることは、したがって、この場合特に都合がよい。特に、圧縮力が熱電モジュール間にも伝えられるように、複数の熱電モジュールは、互いに前後に対応して配置されてもよい。

さらに、本発明による熱電モジュールまたは本発明による熱電発電機を少なくとも有する自動車両は、提案される。ここで、前記モジュールおよび／または前記発電機は、本発明による記載された方法を用いて動作するために設計されてもよい。

本発明および技術分野は、図に基づいて以下でさらに詳細に説明される。図は、特に好適な例示的実施形態を示す。しかしながら、本発明は、それに制限されない。

図１は、側面図において熱電モジュールを示す。 図２は、図１の熱電モジュールの詳細を示す。 図３は、管状熱電モジュールを示す。 図４は、圧縮応力のプロファイルを示す。 図５は、熱電発電機を示す。 図６は、自動車両を示す。

図１は、側面図において熱電モジュール１を示す。そしてその外側は、第１の壁２および第２の壁３によって形成される。第１の壁２および第２の壁３は、熱電材料５から成るエレメント４および、熱電モジュール１のさらなるコンポーネント１９（絶縁体２３、接続２４、接続層３１、エレメント４など）が配置される中間スペース１２を囲む。第１の壁２は、高温側１７に割り当てられる。そして、反対側に配置された第２の壁３は、低温側１３に対応して割り当てられる。第１の壁２と熱電材料５との間の接続層３１としての絶縁体２３は、いずれの場合も、第１の壁２上におよび第２の壁３上に配置される。相互に隣接して配置される熱電材料５から成るエレメント４は、接続２４（導体路、ケーブルなど）によって、いずれの場合も交互に、導電性のやり方で互いに接続している。

熱電材料５は、充填材料６によって互いに離間している。ここで、充填材料６の異なる例示的実施形態は、示される。ここで、充填材料６は、熱電材料５のすべての側面３２にわたって延びるのではなく、その代わりに側面３２のサブ領域上だけに作用する。適切な場合、複数の充填材料６は、相互に隣接して配置されるエレメント４間にも設けられる。さらに、充填材料６は、それが熱電材料５のすべての側面３２にわたって延びて、そしてさらに、第１の壁２または第２の壁３上の絶縁体２３まで、接続２４を越えて延びることが示される。

温度ポテンシャルは、高温側１７と低温側１３との間に形成される。そうすると、熱電材料５を優先的に通る高温側１７から低温側１３への主たる熱流方向８において熱流が発生する。前記熱流の結果、熱電材料５は、ゼーベック効果のせいで、接続２４を介して、熱電モジュール１の外側で対応する電気消費者（バッテリ、電気的消費部など）で抜き取られる電流を生成する。エレメント４は、熱電モジュール１の外側からの圧縮力１５によって、主たる熱流方向８に対して垂直な方向１６において作用を受ける。

図２は、図１の詳細を示す。ここで、熱電材料５から成るエレメント４は、拡大して示される。高温側１７と低温側１３との間に、温度ポテンシャル１０が発生する。そしてそれは、熱電材料５を通って高温側１７と低温側１３との間に熱流を生成する。熱電材料５は、接続２４によって、交互に導電性のやり方において互いに接続され、そして、絶縁体２３によって第１の壁２からおよび第２の壁３から分離される。

図１に示される圧縮力１５は、熱電材料５の間に配置される充填材料６を経由して、主たる熱流方向８に対して垂直な方向１６において熱電材料５に作用する第１の圧縮応力７を発生させる。熱負荷のせいで、熱電材料５は、主たる熱流方向８に対して平行な方向において、主たる熱流方向８に対して垂直な方向１６における熱電材料５の横収縮および／またはクリープにより膨張を生じさせる第２の圧縮応力１１によって作用される。充填材料６は、熱電材料５の側面３２上に配置される。熱電材料５の横収縮および／またはクリープのせいで、主たる熱流方向８に対して垂直な方向１６の膨張は、第１の圧縮応力７のせいで防止される。

第２の圧縮応力１１が第１の壁２においておよび／または第２の壁３においておよび／または第１、第２の壁２、３の間において膨張要素３３によって減少されることができることも図２に示される。

熱電材料５の側面３２がさらに接続層３１（この場合、例えば電気的絶縁体）を有してもよいこともここで示される。熱電材料５が、一方において、第１の壁２および第２の壁３に対して接続２４および絶縁体２３によって熱伝導のやり方で接続される２つの反対側３０を有することもここで示される。

図３は、第１の壁２および第２の壁３を有する管状熱電モジュール１を示す。ここで、第２の壁３は、管状熱電モジュール１の内側ダクトを形成する。前記内側ダクトは、この場合、低温側１３として設計されて、それを通って例えば冷却水がこのように流れることができる。第２の壁２によって形成される熱電モジュール１の外周面は、高温側１７として設計されて、例えば熱い排気ガスの流れによって影響を及ぼされることができる。熱流は、主たる熱流方向８の方向において高温側１７から低温側１３まで発生する。これは、主たる熱流方向８に対して平行な方向における、そして対応する第２の圧縮応力１１における熱電材料５の膨張に結果としてなる。前記第２の圧縮応力１１は、熱電モジュール１の個々のコンポーネントの、例えば熱電材料５の、そして第１の壁２および第２の壁３の異なる膨張によって生じる。目下、熱電材料５間に第１の圧縮応力７を発生させる圧縮力１５の適用を通して、前記第２の圧縮応力１１は、主たる熱流方向８に対して垂直な方向１６における熱電材料５の横収縮および／またはクリープおよび／または塑性変形の結果としての膨張が発生しない限りにおいて補償される。

熱電材料５間の中間スペース１２もここで示される。そしてその中間スペースには、充填材料６が配置されて、その中間スペースによって、相互に隣接して配置される熱電エレメント４は、互いに離間される。さらに、絶縁体２３および接続２４は、第１の壁２上におよび第２の壁３上にいずれの場合も提供される。

図４は、例として、熱電モジュール１の動作範囲における圧縮応力のプロファイルを示す。温度２５は、左側の縦軸上にプロットされる。そして、圧縮応力の大きさ２７は、右側の縦軸上にプロットされる。横軸は、動作時間２６を示す。動作時間２６が進むにつれて、高温側１７の温度２５が上がるおよび／または特定のプロファイルを取ることが分かる。対応して、主たる熱流の結果として、熱電モジュール１の低温側１３の温度２５も上がる。横軸上に示される動作範囲９において、温度ポテンシャル１０は、発生する。前記動作範囲９において、主たる熱流方向８に平行な方向において熱電材料５上に作用する第２の圧縮応力１１は、主たる熱流方向８に対して垂直な方向１６において熱電材料５上に作用する第１の圧縮応力７よりも小さい。主たる熱流方向８に対して垂直な方向において（第１の限界応力３４の超過が生じた場合の）横収縮の結果として、または（第２の限界応力３５の超過が生じた場合の塑性変形の結果として膨張すべきエレメント４の傾向は、第２の圧縮応力１１によって作用されるエレメント４の結果として減少されるかまたは除去される。熱電エレメント４の前記「補強（ｂｒａｃｉｎｇ）」は、熱電材料の第１の限界応力３４および／または第２の限界応力３５が超過されるのを防止するのに特に役立つ。

図５は、２つの熱電モジュール１を有する熱電発電機１８を示す。前記熱電モジュールは、各々、高温側１７および低温側１３を有する。そしてその間に、主たる熱流方向８において熱流が発生する。熱電モジュール１は、それらのそれぞれの低温側１３上に、または低温側１３を形成するそれらの第２の壁３上に、補強デバイス１４を有する。前記補強デバイス１４は、熱電発電機１８上に、またはそのハウジング上にサポートされて、２つの熱電モジュール１のそれぞれの低温側１３上に同様に作用する。

図６は、内燃機関２９、冷却装置２８および排気系統２２を有する自動車両２０を示す。冷却装置２８からの冷却媒体２１は、熱電発電機１８の中に配置される熱電モジュール１を通って流れる。さらに、内燃機関からの、または排気系統２２からの熱媒体２１は、熱電モジュール１を通って流れる。熱媒体２１としての排気ガスの、そして冷却媒体２１としての冷却液の影響のせいで、前記熱電モジュール全体に温度ポテンシャルが発生する。そうすると、熱電モジュール１において電流が発生することができる。

１…熱電モジュール
２…第１の壁
３…第２の壁
４…エレメント
５…熱電材料
６…充填材料
７…第１の圧縮応力
８…主たる熱流方向
９…動作範囲
１０…温度ポテンシャル
１１…第２の圧縮応力
１２…中間スペース
１３…低温側
１４…補強デバイス
１５…圧縮力
１６…方向
１７…高温側
１８…熱電発電機
１９…コンポーネント
２０…自動車両
２１…媒体
２２…排気系統
２３…絶縁体
２４…接続
２５…温度
２６…動作時間
２７…圧縮応力
２８…冷却装置
２９…内燃機関
３０…側
３１…接続層
３２…側面
３３…膨張エレメント
３４…第１の限界応力
３５…第２の限界応力

Claims (10)

1. 第１の壁（２）、反対側に配置される第２の壁（３）、熱電材料（５）から成り、導電性のやり方で互いに接続されて間に置かれる複数のエレメント（４）、すべての前記エレメントを互いに離間させる充填材料（６）、および、前記第１の壁（２）から前記第２の壁（３）まで延びる主たる熱流方向（８）、を少なくとも有する熱電モジュール（１）であって、少なくとも、前記第１の壁（２）と前記第２の壁（３）との間の温度ポテンシャル（１０）が少なくとも５０ケルビンである範囲（９）において、前記主たる熱流方向（８）に対して垂直な方向（１６）において前記エレメント（４）上に作用する第１の圧縮応力（７）が、前記主たる熱流方向（８）において前記エレメント（４）上に作用する第２の圧縮応力（１１）と比較してより大きいように、前記熱電モジュール（１）は、前記主たる熱流方向（８）に対して垂直な方向（１６）において少なくとも１つの圧縮力（１５）によって補強される、ことを特徴とする、熱電モジュール（１）。
2. 少なくとも５０〜６００℃の温度範囲において、前記充填材料（６）は、前記熱電材料（５）よりも大きい熱膨張係数を有する、請求項１に記載の熱電モジュール（１）。
3. 少なくとも５０〜６００℃の温度範囲において、前記充填材料（６）は、前記熱電材料（５）よりも低い熱伝導率［ワット／（メートル＊ケルビン）］を呈する、請求項１に記載の熱電モジュール（１）。
4. 少なくとも前記主たる熱流方向（８）と平行な方向（１６）において見て、前記充填材料（５）は、第１の壁（２）と第２の壁（３）との間の中間スペース（１２）を完全には満たさない、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電モジュール（１）。
5. 前記主たる熱流方向（８）に対して垂直な方向（１６）において前記熱電モジュール（１）上に圧縮力（１５）を生成するための補強デバイス（１４）は、低温側（１３）上に配置され、前記補強デバイス（１４）は、前記充填材料（６）を含まない、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電モジュール（１）。
6. 熱電モジュール（１）の動作のための方法であって、前記熱電モジュール（１）は、第１の壁（２）、第２の壁（３）、および、熱電材料（５）から成り、導電性のやり方で互いに接続されて間に置かれる複数のエレメント（４）、を有し、動作中に、温度ポテンシャル（１０）は、第１の壁（２）と第２の壁（３）との間に広がり、主たる熱流方向（８）は、前記第１の壁（２）から前記第２の壁（３）まで延び、前記動作のための方法は、少なくとも、
   ａ）第１の壁（２）と第２の壁（３）との間に温度ポテンシャルを生成するステップ、
   ｂ）前記主たる熱流方向（８）に対して垂直な第１の圧縮応力（７）であって、前記エレメント（４）の少なくとも大多数に作用する、第１の圧縮応力（７）を生成するための少なくとも１つの圧縮力（１５）を適用するステップ、
   ｃ）少なくとも、第１の壁（２）と第２の壁（３）との間の温度ポテンシャル（１０）が少なくとも５０ケルビンである範囲（９）において、前記第１の圧縮応力（７）が前記主たる熱流方向（８）における第２の圧縮応力（１１）と比較してより大きいことを確実にするステップ、
   を有する、方法。
7. 前記主たる熱流方向（８）に対して垂直な前記第１の圧縮応力（７）は、前記少なくとも１つの圧縮力（１５）の外部調節を通して影響される、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の圧縮応力（７）は、自動調節のやり方において変化する、請求項６に記載の方法。
9. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の２つの熱電モジュール（１）を少なくとも有する熱電発電機（１８）であって、前記２つの熱電モジュール（１）は、前記熱電発電機（１８）のコンポーネント（１９）によって、第１の圧縮応力（７）を生成するための少なくとも１つの圧縮力（１５）を共同で適用される、熱電発電機（１８）。
10. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱電モジュール（１）を少なくとも有するか、または請求項９に記載の熱電発電機（１８）を少なくとも有する、自動車両（２０）。
    

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