JP6556211B2 - 熱電モジュール及び熱電デバイス、特に自動車の電流生成熱電モジュール及び熱電デバイス - Google Patents
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Landscapes
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
の熱電モジュール及び熱電デバイスに関する。
提案されている。熱電素子は、その2つの対向面の間の温度勾配の存在下で、ゼーベック
効果という名称で知られる現象に従って電流を生成できる。これらのデバイスは、エンジ
ンからの排気ガスを循環させるための第1のチューブの束と、冷却回路からの熱伝導液を
循環させるための第2のチューブの束とを有する。熱電素子は、暖かい排気ガスと冷たい
冷却液との間の温度差により生じる温度勾配にさらされるように、チューブ間に挟まれる
。
るため極めて興味深い。そのため、エンジンのクランクシャフトによって駆動されるベル
トに基づいて電気を生成するために通常後半部に設けられるオルタネータに代わって、か
かるデバイスを少なくとも部分的に代用することにより、自動車の燃料消費量を削減する
ことが可能になる。
が、熱電素子の対向する2つの面の間に与えられる。従って、これら2つの面は同じ寸法
である。
大きく異なる。従って、組立製品の熱効率は、熱交換係数が最も低い流体(この場合は排
気ガス)により制約される。
がら、かかる解決法には限界がある。なぜなら、デバイスは自動車の排気経路上に設けら
れるため、デバイスは気体の流れに対する抵抗が要求される。しかし、かかる抵抗は、チ
ューブ内に配置された交換面積の範囲または気体に含まれる煤塵の堆積により生じる付着
物に起因する逆圧の効果を抑制するために、できる限り低くすべきである。さもなければ
、熱電デバイスだけでなくエンジンの効果的な機能に悪影響が生じうる。従って、かかる
制約により、交換面積を効率化して交換係数を実質的に上昇させる可能性が制限される。
積は同一であるため、気体側の熱抵抗と液体側の熱抵抗との比率は、気体側の熱交換係数
と液体側の熱交換係数との比率の逆数となる。従って、気体側の熱抵抗は、液体側の熱抵
抗よりもはるかに大きく、これによりデバイスの性能に悪影響が及ぼされる。
、少なくとも1つの熱電素子を備える熱電モジュールであって、前記熱電素子は、その2
つの面の間に生じる温度勾配の作用下において電流を生成することができ、前記面の1つ
である第1の面は、他の面である第2の面よりも広い面積を有し、前記モジュールは、前
記第1の面と第1の流体との間で熱交換を確立し、前記第2の面と第2の流体との間で熱
交換を確立するように構成され、前記第2の流体は、前記第1の流体よりも高い熱交換係
数を有する、熱電モジュールに関するものである。
、気体側の熱抵抗及び液体側の熱抵抗との間で、より均等の取れた比率を実現することが
でき、組立製品全体の運転にとって好ましい。
前記リング形状の外周表面により規定され、前記第2の表面は、前記リング形状の内周表
面により規定される。
が所定の温度勾配にさらされたときに前記第1及び第2の面の間に電位差を確立すること
を可能にし、第2の型(N型と称す)は、前記第1及び第2の面が同一の温度勾配にさら
されたときに前記第1及び第2の面の間に反対方向の電位差を確立することを可能にする
。
子は、N型の熱電素子と交互に配置される。
される対とに分類され、前記モジュールは、同じ一対の前記熱電素子の前記第1の面同士
の間の流れの循環、及び同じ一対の前記熱電素子のそれぞれの前記第2の表面と隣接する
対の隣接する熱電素子との間の流れの循環が可能となるように構成される。
連して配置される。
の前記第1の表面と接触する気体循環チャネルを備える。
子は、一方の前記冷液循環チャネル及び他方の前記気体循環チャネルの間で半径方向に配
置される。
るケーシングを備える。
ューブが他のチューブの軸延長方向に配置される複数のチューブ及び/または前記気体循
環チャネルの内壁の一連の部分を規定できるように各チューブが他のチューブの軸延長方
向に配置される複数のチューブを備える。
部が備えられ、それぞれ前記冷液循環チューブ間及び/または前記気体循環チューブ間に
おいて電気絶縁を確保する。
ショルダに対し前記熱電素子及び/または前記封止接合部が支持される。
方向に沿って他の型の熱電素子と交互に配置される少なくとも2つの熱電素子が取り付け
られた冷液循環チューブを備える。
壁を部分的に規定する。
チャネルは複数の熱電素子と協働し、各熱電素子は、角を有する筒状部を形成して、対応
するチャネルの伸張長手方向に沿って延長線上に配置されてもよい。
置される。
明は、発明を説明することを目的として提示され、限定することを意図して提示されるも
のではない。
モータからの排気ガスの循環を可能にする第1の回路1(高温回路)と、第1の流体より
も温度が低い第2の流体、特に冷却回路の熱交換流体の循環を可能にする第2の回路2(
低温回路)とを備える。
成できる複数の熱電素子3、3p、3nも備える。かかる素子は、温度勾配にさらされる
面4a及び4bの間に接続された負荷内で電流を生成可能にし、ゼーベック効果に従って
機能する。当業者に知られた態様では、かかる素子は、例えばビスマスとテルルとからな
る(Bi2Te3)。
に電位差を確立できる第1の型の素子3p(P型と称する)であり、他方では、同一の温
度勾配にさらされたときに反対方向(負の方向とする)に電位差を生成できる第2の型の
素子3n(N型と称する)である。
る)よりも広い表面積を有し、モジュールは、第1の面と第1の流体との間で熱交換を行
い、第2の面と第2の流体との間で熱交換を行うように構成される。第2の流体は、第1
の流体よりも高い熱交換係数を有する。
気ガス)との間の熱交換にとって都合が良い。
。これにより、流体回路1及び2の構成が簡略化される。よって、流体回路は、特に円柱
形状を呈する。
でき、第1の表面4aはリング形状の外周表面によって規定される一方、第2の表面4b
は、リング形状の内周表面によって規定される。
リング5により形成されるリングからなる。図3aから3fにおいて、熱電素子3は単一
部材のリングである。
する。ここでは、第1の表面4aの半径は第2の表面4bの半径の約2倍である。
表面4a及び4bは、例えば同軸である。言い換えると、熱電素子は、一定の半径の厚さ
である。
熱電素子を構成するリングは、リングの断面において矩形である。
る。
の熱電素子は、N型の熱電素子と方向Dにおいて交互に配置される。これら熱電素子は、
特に同一の形状及び寸法である。
により構成される。モジュールは、同じ一対の熱電素子の第1の表面同士の間の流れの循
環、及び同じ一対の熱電素子のそれぞれの第2の表面と隣接する対の隣接する熱電素子と
の間の流れの循環が可能となるように構成される。このことは、特に図1に示されており
、熱電素子の循環が破線により示されている。このようにして、方向Dにおいて互いに平
行に配置される熱電素子3p及び3nの間を電流が循環する。
は、第1の表面4a及び/または第2の表面4bがそれぞれ他の延長上に位置するように
、互いに関連して配置されるように備えられる。第1の表面4a及び/または第2の表面
4bは、例えば直線により規定される表面に内接している。
4bに接触する冷液循環チャネル7、並びに/または熱電素子3p及び3nの第1の表面
4aに接触する気体循環チャネル8を有していてもよい。
状の断面である。熱電素子3p及び3nは、チャネル7及び8の間に、例えば半径方向に
配置される。
、冷液循環チャネル7及び気体循環チャネル8は同軸である。
チャネル8は、補助的交換表面9を備えていてもよい。補助的交換表面9は、例えば放射
状のフィン10である。後に詳述するように、補助的交換表面は、他の機能、特に取付け
に関する機能を有することができる。
1を有していてもよく、必要に応じて、外部断熱ケーシング11は気体循環チャネル8の
外部壁を規定してもよい。
し、各チューブは他のチューブの軸延長方向に配置されて、冷流循環チャネル7を規定す
る。また、モジュールは、複数のチューブ13も有し、各チューブは他のチューブの軸延
長方向に配置されて、気体循環チャネル8の内壁の一連の部分を規定する。
されることによって気体循環チューブ13の内側に配置される冷液循環チューブ12と同
軸となる。より正確には、冷液循環チューブ12は、2つの気体循環チューブ13の間に
おいて、方向Dに向けて配置される。
。隣接する気体循環チューブ13、すなわち冷液循環チューブ12が内部に配置されるチ
ューブ13は、熱電素子3p及び3nの隣接する対の素子3n及び3pのそれぞれと同様
に、チューブ12の熱電素子3p及び3nのうちの1つに関連付けられる。
環チューブ13間に設けることもできる。封止接合部は、封止機能に加えて、冷液循環チ
ューブ12の間及び/または気体循環チューブの間の電気絶縁性をそれぞれ確保する。
ミックなどの材料の薄い層で被覆され、チューブと熱電素子との間の熱伝導性及び電気絶
縁性を確保する。熱電素子3pと3nとの間の導電性については、材料の層が電気経路で
覆われている。
13で形成される。
ーブには、ショルダ16及び17が設けられ、熱電素子3p及び3n並びに/または封止
接合部14及び15は、ショルダ16及び17に対して支持される。このショルダは、例
えばチューブ12及び13の長手方向端部に設けられる。
して、熱電素子の一方の平面6aで支持され、内周領域の冷液循環チューブにおけるショ
ルダ16に対して、他方の平面6bで支持される。接合部14及び15は、それぞれチュ
ーブ12及び13の2つのショルダの間に設けられる。
に配置されるように冷液循環チューブ12の半径方向に伸張させることによりなされる。
変形例として、モジュールの取付けは、熱電素子3p及び3nを、冷液循環チューブ12
上に配置されるように気体循環チューブ13をロックすることによってなされる。熱電素
子3p及び3nとチューブとの間の接触をより確実にする材料を使用してもよい。
2と、その上に取り付けられた少なくとも2つの熱電素子とを備え、同一の型の熱電素子
は、チューブの長手伸張方向Dに、他の型の熱電素子と交互に配置される。この場合、図
3bから3eに示されるように、複数の熱電素子3pは、複数の熱電素子3nと交互に配
置される。
する熱電素子3p及び3nにおける対向する2つの面6a及び6bの間に配置される。図
3bにおいて、熱電素子3p、3n及びワッシャ20が、冷流循環チューブ12上に交互
に取り付けられている。
ケル製の導電性材料の層22で、2つずつ被覆されている。
被覆され、気体循環チャネル8の内壁を少なくとも部分的に規定している。この材料は、
特にセラミック材料である。電気絶縁性かつ熱伝導性材料の層24は、導電性材料の層2
2の外側に位置する。
、例えばセラミック等の材料の薄い層で被覆されており、チューブと熱電素子3p及び3
nとの間の熱伝導性及び電気絶縁性を確保する。熱電素子3p及び3nの間の導電性のた
め、特に方向Dに沿った熱電素子の直列接続を確保する目的のため材料の層は電気的な通
路で覆われている。
び3nの保持を確実にするように構成される。これは、例えば、半径方向の弾性を呈し、
与圧を受けるように構成される金属タービュレータ26である。
は、耐火性及び/または絶縁保護の材料のケーシングにより覆われている。このケーシン
グは、タービュレータ26の支持体表面を形成する。
ャネルは複数の熱電素子3と協働し、各熱電素子は、角を有する筒状部を形成して、それ
ぞれ対応するチャネルの長手伸長方向に沿って延長線上に配置される。
チューブ12があり、ここでは4つのチューブがあるとする。熱電素子3は、チューブご
とに同一の角部を有し、円形の断面を有する円筒を規定する。それぞれの角はほぼ(36
0/n)度の角で、ここでは円筒の4分円となる90°である。冷液循環チューブ12は
、例えば互いに平行である。この場合、冷液循環チューブ12は、平行四辺形の4つの辺
を形成する。
冷液循環チューブのそれぞれと関連する熱電素子3を備える。
の間に備えられる。
て、モジュールは、保護ケーシングを備えてもよい。
が想定される。
ィックも形成してもよい。
する本体30を備えることができる。
は、その後、収納部32に挿入されて保持され、特に、タービュレータ26を使用して中
心に配置される。気体循環チャネル8の外壁は、本体30により直接的に規定される。従
って、モジュールは、補助的交換表面9、特にその半径方向の弾力により収納部32内に
保持される。
配置される。
軸に平行である。保持部32は、例えば本体30の周縁に等間隔で配置されている。
互いに直列かつ/または並列に接続することができる。
体循環チャネル36を備えることができる。気体循環チャネル36は、特に本体30の中
心に配置される。
Claims (19)
- 複数の熱電素子を備える熱電モジュールであって、
前記熱電素子は、その2つの面の間に生じる温度勾配の作用下において電流を生成することができ、
前記面の1つである第1の面は、他の面である第2の面よりも広い面積を有し、
前記モジュールは、前記第1の面と第1の流体との間で熱交換を確立し、前記第2の面と第2の流体との間で熱交換を確立するように構成され、
前記第2の流体は、前記第1の流体よりも高い熱交換係数を有し、
前記モジュールは、前記第1の流体として車両のエンジンの排気ガスが用いられるように構成され、
前記モジュールは、前記第2の流体として冷却液体が用いられるように構成され、
前記熱電素子の前記第2の面と接触する冷液循環チャネル及び前記熱電素子の前記第1の面と接触する気体循環チャネルのいずれかまたは両方を有し、
互いに平行な複数の冷液循環チャネルを有し、
各チャネルは複数の熱電素子と協働し、
各熱電素子は、角を有する筒状部を形成して、対応するチャネルの伸張長手方向に沿って延長線上に配置される、
熱電モジュール。 - 複数の熱電素子を備える熱電モジュールであって、
前記熱電素子は、その2つの面の間に生じる温度勾配の作用下において電流を生成することができ、
前記面の1つである第1の面は、他の面である第2の面よりも広い面積を有し、
前記モジュールは、前記第1の面と第1の流体との間で熱交換を確立し、前記第2の面と第2の流体との間で熱交換を確立するように構成され、
前記第2の流体は、前記第1の流体よりも高い熱交換係数を有し、
前記モジュールは、前記第1の流体として車両のエンジンの排気ガスが用いられるように構成され、
前記モジュールは、前記第2の流体として冷却液体が用いられるように構成され、
同じ型の熱電素子が長手伸張方向に沿って他の型の熱電素子と交互に配置される少なくとも2つの熱電素子が取り付けられた冷液循環チューブを備え、
互いに平行な複数の冷液循環チャネルを有し、
各チャネルは複数の熱電素子と協働し、
各熱電素子は、角を有する筒状部を形成して、対応するチャネルの伸張長手方向に沿って延長線上に配置される、
熱電モジュール。 - 前記熱電素子は、リング形状の一部の形状であり、
前記第1の面は、前記リング形状の外周表面により規定され、
前記第2の面は、前記リング形状の内周表面により規定される、
請求項1または請求項2に記載のモジュール。 - 前記第1及び第2の面のいずれかまたは両方は円筒形状である、
請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のモジュール。 - 前記第1の面は、前記第2の面の1.5倍から4倍の間の半径を有する、
請求項4に記載のモジュール。 - 前記熱電素子は、2つの対向する平行な平面を有する、
請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載のモジュール。 - 前記気体循環チャネルは、補助的交換表面を有する、
請求項1に記載のモジュール。 - 前記気体循環チャネルの外壁を規定する外部断熱ケーシングを備える、
請求項1または請求項7に記載のモジュール。 - 前記冷液循環チャネルを規定するように各チューブが他のチューブの軸延長方向に配置される複数のチューブ、及び前記気体循環チャネルの内壁の一連の部分を規定するように各チューブが他のチューブの軸延長方向に配置される複数のチューブのいずれかまたは両方を備える、
請求項1、請求項7及び請求項8のいずれか一項に記載のモジュール。 - 前記一連の冷液循環チューブ間及び前記一連の気体循環チューブ間のいずれかまたは両方に封止接合部が備えられ、それぞれ前記冷液循環チューブ間及び前記気体循環チューブ間のいずれかまたは両方における電気絶縁を確保する、
請求項9に記載のモジュール。 - 前記冷液循環チューブ及び前記気体循環チューブのいずれかまたは両方はショルダが備えられ、当該ショルダに対し前記熱電素子及び前記封止接合部のいずれかまたは両方が支持される、請求項10に記載のモジュール。
- 熱電素子は、電気絶縁性かつ熱伝導性材料の層で被覆され、前記気体循環チャネルの内壁を部分的に規定する、
請求項11に記載のモジュール。 - 気体循環チャネル内に設けられ、熱電素子の保持を確保するように構成される補助的交換表面を有する、
請求項2または請求項12に記載のモジュール。 - 請求項1、及び請求項7乃至請求項12のいずれか一項に記載のモジュールを複数備える熱電デバイス。
- 前記モジュールを収納する複数の保持部を備える本体を有する、請求項14に記載のデバイス。
- 前記モジュールは、補助的交換表面により前記保持部内に保持される、請求項15に記載のデバイス。
- 前記保持部は、異なるモジュールの前記気体循環チャネルが互いに平行となるように配置される、
請求項15または請求項16に記載のデバイス。 - 前記本体は外部衝撃吸収ケーシングで覆われる、
請求項15乃至請求項17のいずれか一項に記載のデバイス。 - 前記モジュールをバイパスする気体循環チャネルを有する、
請求項14乃至請求項18のいずれか一項に記載のデバイス。
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