WO2010057578A2 - Modul für einem thermoelektrischen generator und ein thermoelektrischer generator - Google Patents

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WO2010057578A2
WO2010057578A2 PCT/EP2009/007897 EP2009007897W WO2010057578A2 WO 2010057578 A2 WO2010057578 A2 WO 2010057578A2 EP 2009007897 W EP2009007897 W EP 2009007897W WO 2010057578 A2 WO2010057578 A2 WO 2010057578A2
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thermoelectric generator
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Sigrid Limbeck
Rolf BRÜCK
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Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh
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    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
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Definitions

  • thermoelectric generator Module for a thermoelectric generator and a thermoelectric shear generator
  • the present invention relates to a module for a thermoelectric generator for generating electrical energy from the heat difference of a fluid and a coolant, wherein the fluid is in particular the exhaust gas of an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the exhaust gas from an internal combustion engine of a motor vehicle has thermal energy, which is to be converted by the thermoelectric generator into electrical energy, for example, to fill a battery or other energy storage and / or electrical consumers to supply the required energy directly.
  • thermal energy which is to be converted by the thermoelectric generator into electrical energy, for example, to fill a battery or other energy storage and / or electrical consumers to supply the required energy directly.
  • thermoelectric generator usually has a plurality, possibly modular, thermoelectric transducer elements.
  • Thermoelectric materials are of a type that can effectively convert thermal energy into electrical energy (Seebeck effect) and vice versa (Peltier effect).
  • the "Seebeck effect” is based on the phenomenon of the conversion of heat energy into electrical energy and is used to generate thermoelectric energy.
  • the "Peltier effect” is the reversal of the Seebeck effect and a phenomenon associated with heat adsorption and in relation to a current flow is caused by different materials.
  • the Peltier effect has already been proposed, for example for thermoelectric cooling.
  • thermoelectric conversion elements preferably have a plurality of thermoelectric elements which are positioned between a so-called “warm side” and a so-called “cold side”.
  • Thermoelectric elements include, for. B. at least 2 semiconductor blocks (p- and n-doped), which are mutually connected on their top and bottom (towards the "hot side” or “cold side") with electrically conductive bridges. Ceramic plates, or ceramic coatings and / or similar materials, serve to insulate the metal bridges and are thus preferably arranged between the metal bridges. If a temperature gradient is provided on both sides of the semiconductor block, a voltage potential forms.
  • thermoelectric generators in particular for use in motor vehicles.
  • these were usually very expensive to manufacture and characterized by a relatively large size. Thus, no serial production could be achieved.
  • a module, an electrical conductor and a thermoelectric generator are to be specified, which individually or collectively represent a thermoelectric generator that is adapted in size to other components, in particular a motor vehicle, that it can be used in many ways in motor vehicles .
  • these components should be installed in an existing vehicle concept without far-reaching changes and, in particular, be interchangeable with already existing components.
  • the existing problems with regard to the separation of fluid and coolant in such a thermoelectric generator and the electrical contact should be solved so that a simple, robust and durable use of the thermoelectric generator with low power loss is possible.
  • a suitable manufacturing method for the transducer elements, or the thermoelectric generator to be specified.
  • the module for a thermoelectric generator is designed with a first end and a second end.
  • the module further comprises at least an inner tube and an outer tube disposed externally around the inner tube and at least one thermoelectric element disposed between the inner tube and the outer tube, the inner tube and the outer tube being electrically insulated from each other at least one thermoelectric element.
  • at least one electrically conductive first contact is provided at the first end and at the second end, which serves for the electrically conductive connection of the at least one thermoelectric element to an electrical conductor.
  • the module can also be flowed through from the first end to the second end for a fluid or a coolant.
  • the module is constructed here in particular elongated or tube-like and forms inside a flow-through cross section for the fluid or the coolant.
  • the inner tube and the outer tube is preferably metallic and in particular has a substantially similar cross section, the z. B. is round or polygonal.
  • the module preferably has a length of at least 15 to 40 cm [centimeters] and in particular has an inner diameter of the inner tube of 2 mm to 15 mm [millimeters].
  • the outer tube surrounding the inner tube has the smallest possible outer diameter, so that the module requires only a small overall space.
  • the at least one thermoelectric element is arranged between the inner tube and the outer tube in such a way that when the module is exposed to a coolant and a warmer fluid, a temperature difference exists between the outer tube and the inner tube, so that a current flow is generated by the thermoelectric element ,
  • the amount of electricity that can be generated depends in particular on the type of thermoelectric element, ie in particular the efficiency of the thermoelectric element at a certain temperature, and on the prevailing temperatures at the "hot side" of the module and the "cold side” of the module.
  • multiple or even a plurality of thermoelectric elements are placed between the two tubes.
  • thermoelectric element is electrically connected to first contacts, which are provided at the first end and at the second end.
  • first contacts which are provided at the first end and at the second end.
  • the module is designed to flow through the inner tube for a fluid or for a coolant.
  • the module When used in a thermoelectric generator, the module is flooded by a fluid or a coolant around its outer tube, so that a heat potential exists between the outer tube and the inner tube over the thermoelectric element.
  • the electrically conductive first contacts form a seal between the outer tube and the inner tube.
  • the electrically conductive first contacts in the areas in which they are arranged between the inner tube and the outer tube form a seal with respect to the fluid and / or the coolant so that they do not penetrate into the space between inner tube and outer Pipe can penetrate. This reliably prevents corrosion or short-circuiting of the thermoelectric elements.
  • the first contacts alone form the seal it may also be necessary to provide, in addition to the electrically conductive first contacts, further means for sealing the first end and / or second end (sealant, plug, etc.).
  • At least one compensation element is provided in the outer tube to compensate for different expansions of the inner tube relative to the outer tube.
  • a compensation element is meant here in particular a means for a length compensation, which serves to compensate for a large temperature difference between outer tube and inner tube a different (material and temperature-dependent) length expansion of the inner tube relative to the outer tube.
  • the outer tube in particular a kind of bellows as a compensation element, the folds of which extend from the peripheral surface of the outer tube to the outside.
  • the compensation element is provided in particular circumferentially around the circumference of the module, so that the module is divided by the compensation element into axial subregions becomes. It is particularly advantageous that the compensation element is made of a similar material as the outer tube.
  • chromium-nickel steels such as WN 1.4301, WN 1.4828 and WN 1.4607 (designation in particular according to DIN EN 10027-2), but also aluminum or copper alloys.
  • a steel with the material number (WN) 1.4828 has max. 0.2% by weight of carbon, 1.5% to 2.5% by weight of silicon, max. 2% by weight of manganese, max. 0.045 wt.% Phosphorus, max. 0.03 wt .-% sulfur, 19-21 wt .-% chromium and 11 to 13 wt .-% nickel.
  • a steel with the material number 1.4301 has max.
  • the materials used for the outer tube and the inner tube may in particular also be chosen differently, so that taking into account the contacting of the inner and outer tube with either the hot fluid or the colder coolant, and observing z. B. the different thermal expansion of the material to be used, a corresponding interpretation of the module can be done.
  • the number of compensation elements along the length of the module depending on a coefficient of thermal expansion of the material of the outer tube and / or the material of the inner tube and / or depending on the temperature difference (in operation) between the outer tube and inner Pipe set.
  • a compensation element is arranged at a distance of 2 cm to 10 cm to the first end and / or to the second end and / or with respect to a further compensation element. It is preferred that the module is designed so that, starting from one end to the other end at a distance of 3 cm to 5 cm, a circumferential compensation element is provided.
  • an electrical conductor for electrically conductive connection of at least one module in particular a module according to the invention, provided with an electrode or a housing, wherein the electrical conductor is plate-shaped and a first end face and a second end face and a having circumferential peripheral surface.
  • the first end side is connected to the second end side via at least one opening.
  • the at least one opening is provided for receiving the module.
  • the electrical conductor has electrically conductive second contacts for electrically conductive connection of the first contacts of the module with the electrical conductor.
  • the electrical conductor proposed here is only 0.5 to 5 mm thick between the first end face and the second end face and in particular has no supporting function for the arrangement of at least one module in a thermoelectric generator.
  • the electrical conductor is essentially plate-shaped (or in the manner of a disk or a ring) constructed, wherein in particular electrical connections are provided on its first and / or second end face in the region of the openings, which are electrically conductive second contacts to the electrically conductive connection the first contacts of the module are designed with the electrical conductor.
  • the electrically conductive second contacts are designed so that they form flange-like connections around the openings of the electrical conductor, which are inserted into the space between the inner tube and outer tube of the module, so that they at least over part of the circumference of the module with the electrically conductive first contacts of the module are in electrically conductive connection. This causes an electric current, which is generated via the thermoelectric elements of the module. is transmitted through the first contacts on the second contacts and thus transferred to the electrical conductor.
  • the electrical conductor is preferably made of the same material as the outer and / or inner tube and / or the housing of a thermoelectric generator.
  • the electrical conductor serves to electrically conductively connect the thermoelectric elements of a module, in particular to a housing (as electrical ground) of a thermoelectric generator, so that, in particular, an electrically conductive contact with ground is made possible.
  • a housing as electrical ground
  • an electrically conductive contact with ground is made possible.
  • Opposite z. B. a practically equally ausgestalteter conductor are electrically connected to a (positive) electrode.
  • the electrical conductor can also be provided to electrically connect the thermoelectric elements of a module via its plate-shaped extension with an electrode which is connectable to power lines outside the housing of a thermoelectric generator.
  • the electrical conductor is to be arranged electrically isolated from the housing.
  • a sealing or insulating connection between the electrical conductor and the housing and, in particular, a sealing and insulated passage of an electrode through a housing of a thermoelectric generator reference is made to DE-Al-43 03 581, which is hereby fully incorporated by reference becomes.
  • the jacket tubes described there are functionally equivalent to the housing of the present invention, wherein the electrodes mentioned there would be in electrically conductive connection with the electrical conductor mentioned in this invention.
  • a seal of a passage of an electrode or a current conductor through the housing of a thermoelectric generator to the outside and / or an electrical conductor within a housing is in particular with regard to a gaseous fluid, in particular an exhaust gas of an internal combustion engine.
  • thermoelectric generator which has at least the following components: at least one module according to the invention, at least one fluid inlet and a fluid outlet, at least one coolant inlet and a coolant outlet, and a housing, wherein the at least one module at least the first end or the second end is received via the inner tube or via the outer tube in an electrical conductor previously described according to the invention.
  • each module z. B. is connected at one end via the inner tube with the electrical conductor according to the invention and opposite each module is connected at the other end via the outer tube with the electrical conductor according to the invention.
  • the one electrical conductor first electrical conductor
  • thermoelectric generator has between 10 and 50 modules which are arranged side by side (parallel) and are connected at their respective ends to one another by an electrical conductor and / or to an electrode and / or to a housing , Very particular preference is given to an embodiment of the thermoelectric generator with 20 to 30 modules.
  • a fluid inlet and a fluid outlet are provided in particular on a first end side or on a second end side of the thermoelectric generator, so that the fluid flows through the modules.
  • a coolant inlet and a coolant outlet are then arranged correspondingly on a circumferential surface of the housing, so that the coolant flows over the modules on its outer surface.
  • the inlet / outlet for fluid and coolant is carried out vice versa, so that a coolant flows through the module and a fluid flows over the modules on its outer surface.
  • the fluid inlet and the fluid outlet can be designed in particular as part of an exhaust system or an exhaust pipe. In particular, however, it is also possible for a plurality of fluid inlets and / or a plurality of fluid outlets to be provided.
  • the electrical conductors are provided inside the housing of the thermoelectric generator, so that an electric current generated within the modules by thermoelectric elements is conducted via the electrical conductors to the housing or to an electrode outside the housing.
  • the entire housing of the thermoelectric generator with respect to other components of a motor vehicle or a surrounding system, in particular with respect to an exhaust system connected to the housing be performed electrically isolated.
  • DE-Al-44 29 878 which is hereby incorporated by reference. is fully referenced in which in particular the isolation of an exhaust gas treatment unit with respect to an associated with this exhaust system is already disclosed.
  • thermoelectric generator is provided as a replacement for a conventional heat exchanger, in particular for a heat exchanger of a Verbre Vietnamese heat exchanger of a Verbre Vietnamese heat exchanger of a Verbre Vietnamese heat exchanger of a Verbre Vietnamese heat exchanger of a Verbre Vietnamese heat exchanger of a Verbre Vietnamese heat exchanger of a Verbre Vietnamese heat exchanger of a Verbre Vietnamese heat exchanger of a Verbre Vietnamese heat exchanger of a Verbre Vietnamese pole) is provided by the thermoelectric generator, which is provided for discharging the electric current generated in the thermoelectric generator.
  • thermoelectric generator at least one support element is provided which is connected to the housing and the at least one module and forms a seal with respect to a fluid and / or a coolant with the housing and the at least one module.
  • the support means is in particular similar to the fiction, contemporary electrical conductor designed as a plate member with openings and is material, form and / or kraftschltissig connected to the outer tube and / or the inner tube of the module and the housing.
  • the support element is used to fix and arrange the individual modules in a housing of a thermoelectric generator and thus to allow a durable support of the modules in the housing.
  • the support elements in particular the sealing serve within the housing between the region of a fluid and the area is flowed through by a coolant.
  • the seal is designed in particular with other special sealants.
  • the functions of at least one Srürziatas and an electrical conductor are combined in one component. This allows the support function of each Module as well as the sealing and electrical conduction of the electrical current generated in the module by a component.
  • the housing of the thermoelectric generator has at least one compensation element.
  • this compensation element is designed in particular in the same way as the already described compensation element of the module.
  • a bellows is to be provided in particular, which in particular permits thermal expansions in relation to a different extent of the modules arranged in the housing.
  • the at least one module has at least one structure for influencing the flow of at least the fluid and / or the coolant and / or for heat conduction at least from the fluid and / or coolant toward the inner tube or outer tube.
  • Such structures are for flow channels and flow paths z.
  • These structures can be provided on the outer surface of the outer tube and / or on the inner surface of the inner tube, so that the fluid and / or coolant flowing over these surfaces can be influenced accordingly.
  • thermoelectric generator can have different types of thermoelectric elements.
  • the power loss of the thermoelectric generator is at most 10%.
  • the power loss is the proportion of the electrical power generated by the thermoelectric elements, which occurs as a result of contact resistances in the electrical conductors. see the thermoelectric elements as heat output within the thermoelectric generator is lost.
  • additional cooling is provided for at least part of a module.
  • the additional cooling is a (electrical or electromechanical) reversal circuit of the thermoelectric elements, so that they act as Peltier elements. They can then cool themselves in the event that too hot exhaust gas flows through the thermoelectric generator.
  • thermoelectric generator according to the invention is preferably used in a motor vehicle with an internal combustion engine and an exhaust pipe, wherein the at least one erf ⁇ ndungsconcee module is traversed by exhaust gas.
  • the coolant flows through the module and, accordingly, the exhaust gas flows over the modules within the housing of the thermoelectric generator.
  • cooling water is used as the coolant, although other coolants such as oils can be used.
  • thermoelectric generator according to the invention is arranged.
  • a method for producing a module comprising at least the following steps: al. Providing an inner tube having a cross section and an outer peripheral surface, a2. Coating at least a part of the outer peripheral surface with i) a dielectric, and ii) a conductor material for producing printed conductors, a3. Applying semiconductor material or at least one thermoelectric element; and continue bl. Providing an outer tube having an inner surface, b2. Applying on at least a part of the inner surface i) a dielectric, and ii) conductor material for the production of conductor tracks, and further cl. Merging the outer tube and the inner tube.
  • the coating of the inner tube or of the outer tube is carried out with a dielectric by means of an immersion bath.
  • the already coated with the dielectric tube is either immersed in a Porterbahnmaterialtauchbad or the conductor material z. B. applied by screen printing in particular on the outer peripheral surface of the inner tube.
  • thermoelectric element can be applied directly to the appropriately prepared inner tube and be connected in parallel or in series, depending on the embodiment of the thermoelectric element with other thermoelectric elements. It is preferred that the largest possible part of the peripheral surface of the inner tube is provided with thermoelectric elements. In particular, when using rectangular cross sections of an inner tube, the larger side surfaces are covered with thermoelectric elements and the smaller side surfaces are left free, so that a closer arrangement of individual modules within a housing of a thermoelectric generator is made possible.
  • the dielectric and the conductor material are preferably applied to the inner layer in a dipping process Surface of the outer tube applied.
  • thermoelectric elements or appropriately doped semiconductor material can be connected according to the inner tube / can, after step b2. i) into the outer tube with a smooth inner surface and with the dielectric coating in a step b2. ii) inserted an inner profiled tube of conductor material for producing the conductor tracks and connected to the outer tube, in particular soldered.
  • the inner profiled tube has a first minimum inner diameter and a profiling to the outside, so is only in partial areas with the outer tube, or relationship with the dielectric coating in contact.
  • the inner profiled tube forms after steps i) and ii) of step b2.
  • the module has a first end and a second end and the electrical conductor tracks are electrically conductively connected at the first end and the second end with at least one respective electrical contact.
  • the electrical contact can be designed here as a cable or the like, which can conduct the electric current generated by the thermoelectric elements to regions outside the module.
  • the electrical contact is formed so that a particular gas-tight seal between the outer tube and inner tube is generated and the electrical first contact with the proposed inventive electrical conductor is in electrically conductive connection.
  • the semiconductor material applied on the outer circumferential surface of the inner tube is removed after step a3. in a further step a4. doped, so that at least one thermoelectric element is formed in such a way.
  • Fig.1 the integration of the thermoelectric generator in a motor vehicle
  • Fig. 2 an inner tube according to step al.;.
  • Fig. 5 the inner tube according to step a3. with semiconductor material
  • Fig. 6 the inner tube according to step a3. with thermoelectric elements
  • Fig. 7 an outer tube according to step b 1.;
  • Fig. 9 the outer tube before step b3 .
  • Fig. 1 1 the inner tube and the outer tube before the merging according to step cl .;
  • FIG. 12 shows a further embodiment of a module for a thermoelectric generator
  • 13 shows an embodiment of the electrical conductor in a side view and in a sectional illustration
  • 14 a further embodiment of a thermoelectric generator
  • Fig. 15 yet another embodiment of a thermoelectric generator.
  • FIG. 1 schematically illustrates the preferred application of a thermoelectric generator 2.
  • a motor vehicle 31 with an internal combustion engine 32 is shown.
  • the exhaust gas produced in the internal combustion engine 32 for example an Otto engine or a diesel engine, flows through a Abgasleirung 33 by different Abgas accompanimentseinhei- th 44 and by the thermoelectric generator 2, which is arranged here in a Abgasmfffungsungstechnisch 35, the Abgasleirung 33 with the Lucaszuure- tion 45 of the internal combustion engine 32 connects.
  • An installation of the thermoelectric generator 2 in a Abgas Wegschreibungs effet 35 is particularly advantageous because here regularly heat exchangers are provided, which can now be replaced by a thermoelectric generator 2.
  • no additional exhaust gas treatment units 44 are additionally integrated into the exhaust system of an internal combustion engine 32, so that in particular the existing spatial conditions of a motor vehicle 31 are utilized.
  • Figs. 2 to 12 illustrate the manufacture of a module 1 of the thermoelectric generator. 2 shows an inner tube 5 with an outer peripheral surface 37 and a cross-section 36, which may be in particular round or polygonal, in particular rectangular.
  • FIG. 3 shows the inner tube 5 according to method step a2. i) for the production of the module 1, in which case the outer circumferential surface 37 of the inner tube 5 has been provided with a coating with a dielectric 39.
  • the outer circumferential surface 37 of the inner tube 5 has been provided with a coating with a dielectric 39.
  • the entire outer peripheral surface 37 of the inner tube 5 is coated with a dielectric 39, but only a portion 38 of the outer peripheral surface 37.
  • the larger side surfaces are to be coated, so that when using several Module 1 in a nem thermoelectric generator, a closer arrangement of the modules 1 can be realized.
  • FIG. 4 shows the inner tube 5 according to method step a2 ii), wherein on the outside of the coating with dielectric 39 a further coating with conductor track material 40 has been applied.
  • the printed conductor material 40 is shown here as a continuous coating, however, the structures of the printed conductors 19 which are used later can also already be applied (for example by a screen printing method, see FIG.
  • FIG. 5 shows the inner tube 5 with a coating of dielectric 39, a coating with conductor material 40, which is shown here as already formed conductor tracks 19, which cover only a part 38 of the peripheral surface 37 of the inner tube 5.
  • the inner tube 5 now has a coating with semiconductor material 41. which was applied here for example by a dipping process.
  • the inner tube 5 is thus shown after the method step a3.
  • the gaps between the dielectric 39 and the semiconductor material 41 shown here are inserted only to clarify the position of the printed conductors 19.
  • the printed conductors 19 are made so thin that the semiconductor material 41 rests on the printed conductors 19 on the one hand and on the dielectric 39 on the other hand.
  • FIG. 6 shows a further illustration of the inner tube 5 according to method step a3.
  • thermoelectric elements 7 have been applied to the already existing coating with dielectric 39 and conductor material 40, printed conductors 19 being already produced here.
  • These thermoelectric elements 7 can also be formed by semiconductor material 41, which in particular according to a further method step after the method step a3. is divided by a processing into individual segments, in particular in a later step a4. be doped so that a current path along the outer peripheral surface 37 of the inner tube 5 through the doped semiconductor material 41, the now a thermoelectric element 7, can be formed.
  • the segmentation can also be solely by doping according to step a4. take place, so that a continuous semiconductor layer is formed, through which, as a result of the doping, a current path can be generated.
  • Fig. 7 shows an outer tube 6 with an inner surface 42 according to method step bl.
  • the inner diameter of the outer tube 6 is selected so that after the individual process steps to be carried out, the inner tube 5 and the outer tube 6 can be pushed together and result in a functional module with contacting surfaces.
  • FIG. 8 shows in the left half of the picture the outer tube 6 with a coating of dielectric 39 according to method step b2 i).
  • an inner profiled tube 47 is shown, which consists of conductor material 40.
  • the inner profiled tube 47 has a first minimum inner diameter 43.
  • FIG. 9 shows the outer tube 6 with a further layer consisting of conductor material 40 for producing conductor tracks, which rests on the inside of the coating with dielectric 39.
  • this layer can be produced by combining the outer tube 6 and an inner profiled tube 47 made of conductor material 40.
  • the profiling of the inner profiled tube 47 is formed to the outside, so that the inner profiled tube 47 rests only in partial areas on the inner surface 42 of the outer tube 6, or on the dielectric 39.
  • FIG. 9 thus shows the outer tube 6 before a step b3. in which then the first minimum inner diameter 43 is widened.
  • Step b3. In which the minimum inner diameter 43 (see Fig. 9) by z. B. a boring method has been increased, and now a (nearly) smooth inner surface is generated, since the tracks 19 only a very small survey against the Dielectric 39 have. Dielectric 39 and printed conductor material 40 alternate with one another on this inner surface, or an arrangement of dielectric 39 and printed conductor material 40 corresponding to the inner profiled tube 47 (see FIG. The conductor material 40 is now present only in some areas and forms corresponding conductor tracks 19th
  • FIG. 11 shows in the left half of the figure the inner tube 5 after method step a3. or after method step a4., Where a coating with dielectric 39 has been made and conductor tracks 19 are formed. Furthermore, thermoelectric elements 7 and doped semiconductor material 41 are arranged on the surface such that after merging the inner tube 5 with the outer tube 6 shown in the right half, with a structure of dielectric 39 and tracks 19, a current path through a module so generated 1 is formed.
  • Fig. 12 shows a module 1, which was produced by the merging (according to step cl.) Of the inner tube 5 after the method steps a3. or a4. and the outer tube 6 after the process step b2. ii) or b3.
  • the module 1 has a first end 3 and an oppositely disposed second end 4, wherein between the outer tube 6 and the inner tube 5 thermoelectric elements 7 are arranged such that at least one electrical current path from the first end 3 to the second end. 4 is formed.
  • the training of several parallel current paths is possible here.
  • first contacts 8 at the first end 3 and at the second end 4 are formed, which allow electrical contact with components outside the module 1, so that an electric current, the temperature difference between an outer tube 6 and inner tube 5 was generated, can be removed from the module 1.
  • the outer tube 6 furthermore has at least one compensation element 10, which is arranged in a distance 11 at least from a first end 3. This compensation element 10 serves that as a result of the temperature difference between outer tube 6 and inner tube 5, a different thermal expansion of the outer tube 6 relative to the inner tube 5 can be compensated so that no structural damage to the module 1 takes place.
  • Fig. 13 shows in two representations an electrical conductor 9, which can be used in particular in a thermoelectric generator.
  • the electrical conductor 9 is shown in a side view and in the right half of the image in a plan view.
  • the electrical conductor 9 has a first end face 14 and a second end face 15, which are connected to each other through openings 17.
  • the electrical conductor 9 has an outer edge 16.
  • the electrical conductor 9 is also connected in particular to an electrode 12, so that an electric current flowing through the electrical conductor 9 can be tapped off via the electrode 12.
  • the outer edge 16 is designed so that in particular either an electrical insulation of the edge 16 relative to a housing of a thermoelectric generator 2, or that an electrically conductive connection with the housing can be realized.
  • the electrical conductor 9 has, in particular, second contacts 18, which are electrically conductively connected to the electrical conductor 9. These may in particular be materially connected to this.
  • the second contacts 18 are designed such that they at least partially surround the openings 17.
  • the second contacts 18 are provided for the electrically conductive connection of the electrical conductor 9 with the modules, so that an electrical current generated in the modules can be dissipated via the electrical conductor 9 toward components of a motor vehicle or a system.
  • Fig. 14 shows a first embodiment of a thermoelectric generator 2.
  • This has a housing 13 in which a plurality of modules 1 are provided.
  • the housing 13 has a fluid inlet 20 and a fluid outlet 21 and a coolant inlet 22 and a coolant outlet 23.
  • the housing 13 of the thermoelectric generator 2 is thus a fluid 20, in particular an exhaust gas 34, through the fluid inlet 20 and the fluid outlet 21st and simultaneously through a coolant 29, which flows through the coolant inlet 22 and adernittelaustritt 23 flows through.
  • Coolant 29 and fluid 28 are sealed off from each other in particular by support elements 26 in connection with the housing 13 and / or with the modules 1.
  • the support elements 26 are particularly intended to fix the modules 1 within the housing 13 of the thermoelectric generator 2.
  • the modules 1 are constructed from an inner tube 5 and an outer tube 6 and interposed thermoelectric elements 7, so that by the generated by a fluid 28 and a coolant 29 temperature difference between the outer tube 6 and inner tube 5 of the module 1, an electric current is generated, which can be dissipated by electrical conductors 9 from the housing 13.
  • a first electrical conductor 24 is preferably provided, which is electrically conductively connected to the housing 13 and the module 1 or the thermoelectric elements 7 arranged therein in an electrically conductive manner.
  • a second electrical conductor 25 is provided, which is also electrically conductively connected to the modules 1 and in particular to the thermoelectric elements 7 of the module 1 electrically connected and thus generated by the temperature difference current via an electrode 12 to outside the housing 13th can dissipate.
  • the second electrical conductor 25 is arranged to be electrically isolated from the housing 13 of the thermoelectric generator 2 by an insulation 46.
  • the electrical conductors 9, 24, 25 are electrically conductively connected via first contacts 8 and second contacts 18 to the thermoelectric elements 7 of the individual modules 1, respectively.
  • the first contacts 8 and the second contacts 18 may be realized together in one component, so that this component is either captively arranged on the electrical conductor 9, z. B. by welding or soldering, or on the module 1.
  • the area between the inner tube 5 and the outer tube 6 of the module 1 is sealed at least by the first contacts 8 and the second contacts 18, so that a fluid 28 related An exhaust gas 34 can not penetrate into this intermediate space and, if appropriate, can have a corrosive effect.
  • the fluid 28 flows into the housing 13 of the thermoelectric generator 2 via a fluid inlet 20 and flows through the openings 17 of the electrical conductor 9 into the inner tubes 5 of the individual modules 1.
  • the fluid 28 flows out again through openings 17 of a further electrical conductor 9 and via a fluid outlet 21 from the thermoelectric generator.
  • the modules 1 are also overflowed over the surface of the outer tubes 6 by a coolant 29, so that a temperature difference of inner tube 5 to outer tube 6 is formed.
  • at least one compensation element 10 is also provided in the housing 13, which allows an expansion of the housing 13 of the thermoelectric generator 2.
  • Fig. 15 shows a second embodiment of the thermoelectric generator 2, in which case in particular fluid inlet 20 and fluid outlet 21, kubJscheintritt 22 and coolant outlet 23 were interchanged.
  • the modules 1 are thus flowed through by a coolant 29 through the inner tubes 5, wherein a fluid 28 and an exhaust gas 34 is passed over the surface of the outer tubes 6.
  • support elements 26 are also provided here, which form with the housing 13 and the modules 1 a seal 27 between the region of the housing 13, which is acted upon by a coolant, and the region of the housing 13, which is acted upon by a fluid 28 ,
  • the support elements 26 are here connected to the inner tubes 5 of the modules 1, so that they are supported in the housing 13.
  • structures 30 are provided on the outer surface of the outer tube 6, which allow improved heat conduction between fluid 28 or exhaust gas 34 and outer tube 6. borrowed. Similar structures 30 are also provided within the inner tubes 5, which cause a turbulence of a flowing fluid 28 or even of a flowing coolant 29, so that a better heat transfer between fluid 28 and coolant 29 and the inner tube 5 is made possible.
  • the structures 30 can also be provided as heat-conducting elements, so that the heat transfer between the inner tube 5 to the fluid 28 or to the coolant 29 is improved.
  • the support elements 26 shown in FIGS. 14 and 15, together with the electrical conductors 9, can each be designed as common components.
  • the support function of the modules 1, the function of a seal 27 with housing 13 and with the modules 1 and the line of an electric current are then realized by a component.
  • the first electrical conductor 24 may be embodied insulated relative to the housing 13, or the housing 13 may be embodied insulated from the exhaust system of the internal combustion engine 32.
  • the modules 1 would be designed to be voltage-independent with respect to the exhaust system and could accordingly be connected to the mass of the motor vehicle or the negative pole of a power supplier.

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Abstract

Modul (1) für einen thermoelektrischen Generator (2) mit einem ersten Ende (3) und einem zweiten Ende (4), das zumindest ein inneres Rohr (5) und ein außen um das innere Rohr (5) herum angeordnetes äußeren Rohr (6) sowie zumindest ein thermoelektrisches Element (7) aufweist, das zwischen innerem Rohr (5) und äußerem Rohr (6) angeordnet ist, wobei das innere Rohr (5) und das äußere Rohr (6) jeweils elektrisch isoliert sind gegenüber dem zumindest einen thermoelektrischen Element (7), und weiter jeweils zumindest ein elektrisch leitender erster Kontakt (8) an dem ersten Ende (3) und an dem zweiten Ende (4) vorgesehen ist, welcher zur elektrisch leitenden Verbindung des zumindest einen thermoelektrischen Elements (7) mit einem elektrischen Leiter (9) dient, und bei dem das Modul (1) von dem ersten Ende (3) zu dem zweiten Ende (4) für ein Fluid (28) oder ein Kühlmittel (29) durchströmbar ist. Außerdem wird unter anderem auch ein thermoelektrischer Generator und ein Herstellungsverfahren für ein solches Modul angegeben.

Description

Modul für einen thermoelektrischen Generator und ein thermoelektri scher Generator
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Modul für einen thermoelektrischen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Wärmedifferenz eines Fluids und eines Kühlmittels, wobei das Fluid insbesondere das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges ist.
Das Abgas aus einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges besitzt thermische Energie, welche mittels des thermoelektrischen Generators in elektrische Energie umgewandelt werden soll, um beispielsweise eine Batterie oder einen anderen Energiespeicher zu füllen und/oder elektrischen Verbrauchern die benötigte Energie direkt zuzuführen. Damit steht für den Betrieb des Kraftfahr- zeuges Energie in größerem Umfang zur Verfügung.
Ein solcher thermoelektrischer Generator weist zumeist eine Mehrzahl, gegebenenfalls modulartiger, thermoelektrischer Wandlerelemente auf. Thermoelektri- sche Materialien sind von einer Art, dass diese effektiv thermische Energie in elektrische Energie umwandeln können (Seebeck-Effekt) und umgekehrt (Peltier- Effekt). Der „Seebeck-Effekt" basiert auf dem Phänomen der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie und wird zur Erzeugung thermoelektrischer Energie genutzt. Der „Peltier-Effekt" ist die Umkehrung des Seebeck-Effekts und ein Phänomen, welches mit Wärmeadsorbtion einhergeht und in Relation zu ei- nem Stromfluss durch unterschiedliche Materialien verursacht wird. Der Peltier- Effekt ist beispielsweise zum thermoelektrischen Kühlen bereits vorgeschlagen worden.
Solche thermoelektrischen Wandlerelemente weisen bevorzugt eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen auf, die zwischen einer so genannten „Warmseite" und einer so genannten „Kaltseite" positioniert sind. Thermoelektrische Elemente umfassen z. B. wenigstens 2 Halbleiterquader (p- und n-dotiert), die auf ihrer Ober- und Unterseite (hin zur „heißen Seite" beziehungsweise „kalten Seite") wechselseitig mit elektrisch leitenden Brücken verbunden sind. Keramikplatten, beziehungsweise Keramikbeschichtungen und/oder ähnliche Materialien, dienen zur Isolierung der Metallbrücken und sind somit bevorzugt zwischen den Metallbrücken angeordnet. Wird ein Temperaturgefälle beidseits der Halbleiterquader bereit gestellt, so bildet sich ein Spannungspotential. Auf der einen Kontaktstelle wird dabei Wärme aufgenommen („Warmseite"), wobei die Elektronen der einen Seite auf das energetisch höher liegende Leitungsband des folgenden Quaders gelangen. Auf der anderen Seite können die Elektronen nun Energie freisetzen, um wieder auf die andere Seite mit niedrigerem Energieniveau zu gelangen („Kaltseite"). Somit kann sich bei einem entsprechenden Temperaturgefälle ein Stromfluss einstellen.
Es ist bereits versucht worden entsprechende thermoelektrische Generatoren, insbesondere für die Anwendung in Kraftfahrzeugen, bereitzustellen. Diese waren jedoch meist sehr teuer in der Herstellung und gekennzeichnet durch eine relativ große Baugröße. Damit konnte noch keine Serientauglichkeit erlangt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Modul, ein elektrischer Leiter und ein thermoelektrischer Generator angegeben werden, die einzeln oder zusammengenommen einen thermoelektri- schen Generator darstellen, der hinsichtlich seiner Baugröße soweit an andere Bauteile insbesondere eines Kraftfahrzeuges angepasst ist, dass er in vielfältiger Weise in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Weiter sollen diese Komponenten in ein bestehendes Fahrzeugkonzept ohne weitreichende Änderungen einbaubar und insbesondere gegen bereits vorhandene Komponenten austauschbar verbaubar sein. Darüber hinaus sollen auch die bestehenden Probleme hinsichtlich der Trennung von Fluid und Kühlmittel bei einem solchen thermoelektrischen Generator und die elektrische Kontaktierung so gelöst werden, dass ein einfacher, robuster und dauerhafter Einsatz des thermoelektrischen Generators mit geringer Verlustleistung ermöglicht ist. Auch soll ein geeignetes Herstellungsverfahren für die Wandlerelemente, beziehungsweise den thermoelektrischen Generator, angegeben werden.
Diese Aufgaben werden mit einem Modul gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, mit einem elektrischen Leiter gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 5, mit einem thermoelektrischen Generator gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6 sowie einem Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind in den jeweils abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung weiter und führt ergänzende Ausführungsbeispiele der Erfindung an.
Das erfindungsgemäße Modul für einen thermoelektrischen Generator ist mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende ausgeführt. Das Modul weist weiter zumindest ein inneres Rohr und ein außen um das innere Rohr herum angeordnetes äußeren Rohr sowie zumindest ein thermoelektrisches Element auf, das zwischen innerem Rohr und äußerem Rohr angeordnet ist, wobei das innere Rohr und das äußeres Rohr jeweils elektrisch isoliert sind gegenüber dem zumindest einen thermoelektrischen Element. Weiter ist jeweils zumindest ein elektrisch leitender erster Kontakt an dem ersten Ende und an dem zweiten Ende vorgesehen, welcher zur elektrisch leitenden Verbindung des zumindest einen thermoelektrischen Elements mit einem elektrischen Leiter dient. Das Modul ist zudem von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende für ein Fluid oder ein Kühlmittel durchströmbar.
Das Modul ist hier insbesondere länglich oder rohrähnlich aufgebaut und bildet innen einen durchströmbaren Querschnitt für das Fluid oder das Kühlmittel. Um diesen - vom inneren Rohr gebildeten - Strömungskanal herum sind nun die ther- moelektrischen Elemente angeordnet, die wiederum über das äußere Rohr mit dem darum strömenden Kühlmittel oder Fluid wärmetechnisch in Kontakt stehen können. Dabei ist das innere Rohr und das äußere Rohr bevorzugt metallisch und hat insbesondere einen im Wesentlichen gleichartigen Querschnitt, der z. B. rund oder mehreckig ausgeführt ist. Das Modul hat bevorzugt eine Länge von zumindest 15 bis 40 cm [Zentimeter] und weist insbesondere einen inneren Durchmesser des inneren Rohres von 2 mm bis 15 mm [Millimeter] auf. Das das innere Rohr umgebende äußere Rohr weist einen möglichst geringen Außendurchmesser auf, so dass das Modul insgesamt nur wenig Bauraum benötigt.
Das zumindest eine thermoelektrische Element ist derart zwischen innerem Rohr und äußeren Rohr angeordnet, dass bei Beaufschlagen des Moduls mit einem Kühlmittel und einem wärmeren Fluid eine Temperaturdifferenz zwischen äuße- rem Rohr und innerem Rohr existent ist, so dass durch das thermoelektrische Element ein Stromfluss generiert wird. Die so erzeugbare Strommenge ist insbesondere abhängig von der Art des thermoelektrischen Elementes, also insbesondere den Wirkungsgrad des thermoelektrischen Elementes bei einer bestimmten Temperatur, sowie von den vorherrschenden Temperaturen an der „Warmseite" des Moduls und der „Kaltseite" des Moduls. Regelmäßig werden mehrere oder sogar eine Vielzahl thermoelektrische Elemente zwischen den beiden Rohren platziert.
Weiterhin ist das thermoelektrische Element elektrisch leitend mit ersten Kontak- ten verbunden, die an dem ersten Ende und an dem zweiten Ende vorgesehen sind. Damit kann ein Stromfluss, ausgehend von dem jeweiligen thermoelektrischen Element hin zu Spannungspotentialen außerhalb des Moduls, erzeugt werden. Die so erzeugte elektrische Energie kann somit an eine Batterie oder einen Verbraucher weitergeleitet werden.
- A - Das Modul ist durch das innere Rohr hindurch für ein Fluid oder für ein Kühlmittel durchstrδmbar ausgeführt. Das Modul wird bei Einsatz in einem thermoelektri- schen Generator um sein äußeres Rohr herum von einem Fluid oder einem Kühlmittel überströmt, so dass ein Wärmepotential zwischen äußerem Rohr und inne- rem Rohr über das thermoelektrische Element hinweg vorliegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Moduls bilden die elektrisch leitenden ersten Kontakte eine Abdichtung zwischen dem äußeren Rohr und dem inneren Rohr. Dies bedeutet insbesondere, dass die elektrisch leitenden ersten Kontakte in den Bereichen, in denen sie zwischen innerem Rohr und äußerem Rohr angeordnet sind, eine Abdichtung gegenüber dem Fluid und/oder dem Kühlmittel bilden, so dass diese nicht in den Raum zwischen innerem Rohr und äußerem Rohr eindringen können. Damit ist sicher verhindert, dass Korrosion oder ein Kurzschluss der thermoelektrischen Elemente entsteht. Auch wenn bevorzugt ist, dass die ersten Kontakte allein die Abdichtung bilden, kann es auch erforderlich sein, neben den elektrisch leitenden ersten Kontakten weitere Mittel zur Abdichtung des ersten Endes und/oder zweiten Endes vorzusehen (Dichtungsmasse, Stopfen, etc.).
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Moduls ist zumindest ein Kompensationselement im äußeren Rohr zum Ausgleich unterschiedlicher Ausdehnungen des inneren Rohres gegenüber dem äußeren Rohr vorgesehen. Mit einem Kompensationselement ist hier insbesondere ein Mittel für einen Längenausgleich gemeint, das dazu dient, dass bei einer großen Temperaturdifferenz zwi- sehen äußerem Rohr und innerem Rohr eine unterschiedliche (material- und temperaturabhängige) Längenausdehnung des inneren Rohrs gegenüber dem äußeren Rohr kompensiert wird. Dabei weist das äußere Rohr insbesondere eine Art Faltenbalg als Kompensationselement auf, dessen Falten sich von der Umfangsfläche des äußeren Rohres nach außen hin erstrecken. Das Kompensationselement ist dabei insbesondere um den Umfang des Moduls umlaufend vorgesehen, so dass das Modul durch das Kompensationselement in axiale Teilbereiche unterteilt wird. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, dass das Kompensationselement aus einem gleichartigen Material wie das äußere Rohr hergestellt ist. Als Material für das äußere Rohr und/oder das inneres Rohr sind insbesondere metallische Legierungen vorgesehen, z. B. (hochlegierte) Chrom-Nickel-Stähle wie WN 1.4301, WN 1.4828 und WN 1.4607 (Bezeichnung insbesondere nach DIN EN- 10027-2), aber auch Aluminium- oder Kupfer-Legierungen. Ein Stahl mit der Werkstoffnummer (WN) 1.4828 weist max. 0,2 Gewichts-% Kohlenstoff, 1,5 bis 2,5 Gew.- % Silizium, max. 2 Gew.-% Mangan, max. 0,045 Gew.-% Phosphor, max. 0,03 Gew.-% Schwefel, 19-21 Gew.-% Chrom und 11 bis 13 Gew.-% Nickel auf. Ein Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4301 weist max. 0,07 Gewichts-% Kohlenstoff, max. 1 Gew.-% Silizium, max. 2 Gew.-% Mangan, max. 0,045 Gew.-% Phosphor, 17-19,5 Gew.-% Chrom, 8 bis 10,5 Gew.-% Nickel und max. 0,11 Gew.-% Stickstoff auf. Die verwendeten Materialen für das äußere Rohr und das innere Rohr können insbesondere auch unterschiedlich gewählt sein, so dass unter Berücksich- rung der Kontaktierung des inneren und äußeren Rohrs mit entweder dem heißen Fluid oder dem kälteren Kühlmittel, und unter Beachtung z. B. der unterschiedlichen Wärmeausdehnung des einzusetzenden Materials, eine entsprechende Auslegung des Moduls erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Moduls ist die Anzahl der Kompensationselemente entlang der Länge des Moduls in Abhängigkeit eines Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des äußeren Rohres und/oder des Materials des inneren Rohres und/oder in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz (im Betrieb) zwischen äußerem Rohr und innerem Rohr festgelegt. Je höher die Temperaturdifferenz und/oder je höher (oder unterschiedlicher) die Wärmeausdehnungskoeffizienten, umso mehr Kompensationselemente sind entlang der Länge des Moduls vorzusehen.
Insbesondere ist bei dem Modul ein Kompensationselement in einer Distanz von 2 cm bis 10 cm zu dem ersten Ende und/oder zu dem zweiten Ende und/oder gegenüber einem weiteren Kompensationselement angeordnet. Bevorzugt ist, dass das Modul so gestaltet ist, dass ausgehend von einem Ende bis hin zum anderen Ende in einer Distanz jeweils von 3 cm bis 5 cm ein umlaufendes Kompensationselement vorgesehen ist.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben ist weiter ein elektrischer Leiter zur elektrisch leitenden Verbindung zumindest eines Moduls, insbesondere eines er- findungsgemäßen Moduls, mit einer Elektrode oder einem Gehäuse vorgesehen, wobei der elektrische Leiter plattenförmig ist und eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche sowie eine umlaufende Umfangsfläche aufweist. Dabei ist die erste Stirnseite mit der zweiten Stirnseite über zumindest eine Öffnung verbunden. Die zumindest eine Öffnung ist zur Aufnahme des Moduls vorgesehen. Der elektrische Leiter weist elektrische leitende zweite Kontakte auf zur elektrisch leitenden Verbindung der ersten Kontakte des Moduls mit dem elektrischen Leiter.
Insbesondere ist der hier vorgeschlagene elektrische Leiter zwischen der ersten Stirnfläche und der zweiten Stirnfläche nur 0,5 bis 5 mm dick ausgeführt und hat insbesondere keine stützende Funktion für die Anordnung zumindest eines Moduls in einem therrnoelektrischen Generator. Der elektrische Leiter ist im Wesent- liehen plattenförmig (oder nach Art einer Scheibe oder eines Ringes) aufgebaut, wobei insbesondere elektrische Anschlüsse auf seiner ersten und/oder zweiten Stirnfläche im Bereich der Öffnungen vorgesehen sind, die als elektrische leitende zweite Kontakte zur elektrisch leitenden Verbindung der ersten Kontakte des Moduls mit dem elektrischen Leiter gestaltet sind. Insbesondere sind die elektrisch leitenden zweiten Kontakte so ausgeführt, dass sie flanschartige Anschlüsse um die Öffnungen der elektrischen Leiters bilden, die in den Zwischenraum zwischen innerem Rohr und äußeren Rohr des Moduls einschiebbar sind, so dass sie zumindest über einen Teil des Umfangs des Moduls mit den elektrisch leitenden ersten Kontakten des Moduls in elektrisch leitender Verbindung stehen. Dadurch wird ein elektrischer Strom, der über die thermoelektrischen Elemente des Moduls er- zeugt wird, durch die ersten Kontakte auf die zweiten Kontakte und damit auf den elektrischen Leiter übertragen.
Der elektrische Leiter ist bevorzugt aus dem selben Material wie das äußere und/oder innere Rohr und/oder das Gehäuse eines thermoelektrischen Generators ausgeführt.
Der elektrische Leiter dient dazu, die thermoelektrischen Elemente eines Moduls insbesondere mit einem Gehäuse (als elektrische Masse) eines thermoelektrischen Generators elektrisch leitend zu verbinden, so dass insbesondere ein elektrisch leitender Kontakt mit Masse ermöglicht ist. Gegenüberliegend kann z. B. ein praktisch gleichermaßen ausgestalteter Leiter elektrisch leitend mit einer (positiven) Elektrode verbunden werden.
Der elektrische Leiter kann auch dazu vorgesehen sein, die thermoelektrische Elemente eines Moduls über seine plattenförmige Erstreckung elektrisch leitend mit einer Elektrode zu verbinden, die mit Stromleitungen außerhalb des Gehäuses eines thermoelektrischen Generators verbindbar ist. Dazu ist der elektrische Leiter gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert anzuordnen. Hinsichtlich der Ausfuh- rung einer abdichtenden beziehungsweise isolierenden Verbindung zwischen e- lektrischem Leiter und Gehäuse und insbesondere einer abdichtenden und isolierten Durchführung einer Elektrode durch ein Gehäuse eines thermoelektrischen Generators wird auf die DE-Al-43 03 581 verwiesen, die hiermit vollständig in Bezug genommen wird. Die dort beschriebenen Mantelrohre sind mit dem Gehäu- se der vorliegenden Erfindung funktionell gleichzusetzen, wobei die dort angeführten Elektroden mit dem in dieser Erfindung angeführten elektrischen Leiter in elektrisch leitender Verbindung stehen würden.
Eine Abdichtung einer Durchführung einer Elektrode beziehungsweise eines Stromleiters durch das Gehäuse eines thermoelektrischen Generators nach außen und/oder eines elektrischen Leiters innerhalb eines Gehäuses wird insbesondere hinsichtlich eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, vorgeschlagen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein thermoelektrischer Genera- tor angegeben, der zumindest folgende Komponenten aufweist: wenigstens ein erfindungsgemäßes Modul, wenigstens einen Fluideintritt und einen Fluidaustritt, wenigstens einen Kühlmitteleintritt und einen Kühlmittelaustritt, und ein Gehäuse, wobei das wenigstens eine Modul zumindest an dem ersten Ende oder dem zweiten Ende über das innere Rohr oder über das äußere Rohr in einem zuvor erfindungsgemäß beschriebenen elektrischen Leiter aufgenommen ist.
Bevorzugt ist, dass mehrere Module vorgesehen sind, wobei jedes Modul z. B. an einem Ende über das innere Rohr mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Leiter verbunden ist und gegenüberliegend jedes Modul an dem anderen Ende über das äußere Rohr mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Leiter verbunden ist. Der eine elektrische Leiter (erster elektrischer Leiter) kann dann bevorzugt mit dem die elektrische Masse bildenden Gehäuse und der andere elektrische Leiter (zwei- ter elektrischer Leiter) mit der Elektrode verbunden sein.
Anstatt des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters können grundsätzlich auch andere elektrische leitende Verbindungen der Module mit einer Elektrode oder einem Gehäuse vorgesehen sein, z. B. Kabelverbindungen. Eine Ausführung mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Leiter ist hier zu bevorzugen, weil dieser insbesondere beim Anordnen in einem von einem Fluid oder einem Kühlmittel durchströmten Bereich eine gute Dauerfestigkeit aufweist und somit eine dauerhafte Funktionsfähigkeit und damit Wartungsfreiheit des thermoelektrischen Generators gewährleisten kann. Der thermoelektrische Generator weist gemäß einer besonders bevorzugten Aus- führungsform zwischen 10 und 50 Module auf, die (parallel) nebeneinander angeordnet sind und an ihrem jeweiligen Ende durch jeweils einen elektrischen Leiter miteinander und/oder mit einer Elektrode und/oder mit einem Gehäuse verbunden sind. Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des thermoelektrischen Generators mit 20 bis 30 Modulen.
Ein Fluideintritt und ein Fluidausstritt sind insbesondere an einer ersten Stirnseite beziehungsweise an einer zweiten Stirnseite des thermoelektrischen Generators vorgesehen, so dass das Fluid durch die Module hindurchströmt. Ein Kühlmitteleintritt und ein Kühlmittelaustritt sind dann dementsprechend an einer Um- fangsfläche des Gehäuses angeordnet, so dass die Module von dem Kühlmittel auf ihrer Außenoberfläche überströmt werden. Gegebenenfalls ist der Eintritt/ Austritt für Fluid und Kühlmittel umgekehrt ausgeführt, so dass ein Kühlmittel die Modu- Ie durchströmt und ein Fluid die Module auf ihrer Außenoberfläche überströmt.
Der Fluideintritt und der Fluidaustritt können insbesondere als Teil einer Abgasanlage oder einer Abgasleitung ausgeführt sein. Es ist insbesondere aber auch möglich, dass mehrere Fluideintritte und/oder mehrere Fluidaustritte vorgesehen sind.
Die elektrischen Leiter sind innerhalb des Gehäuses des thermoelektrischen Generators vorgesehen, so dass ein innerhalb der Module durch thermoelektrische Elemente erzeugter elektrischer Strom über die elektrischen Leiter hin zum Ge- häuse beziehungsweise zu einer Elektrode außerhalb des Gehäuses geleitet wird.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das gesamte Gehäuse des thermoelektrischen Generators gegenüber weiteren Komponenten eines Kraftfahrzeuges oder einer umgebenden Anlage, insbesondere gegenüber einer mit dem Gehäuse verbunden Abgasanlage, elektrisch isoliert ausgeführt werden. Diesbezüglich wird auf die DE-Al -44 29 878 verwiesen, die diesbezüglich hier- mit vollumfänglich in Bezug genommen wird, in der insbesondere die Isolation einer Abgasbehandlungseinheit gegenüber einer mit dieser verbundenen Abgasanlage bereits offenbart ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der thermoelektrische Generator als Ersatz für einen konventionellen Wärmetauscher, insbesondere für einen Wärmetauscher einer Verbrennungskxaftmaschine, vorgesehen. Die Eintritte/ Austritte für ein Fluid beziehungsweise ein Kühlmittel können von dem Wärmetauscher unverändert übernommen werden, wobei durch den thermoelektrischen Generator weiterhin zumindest eine Stromelektrode (Pluspol) bereitgestellt ist, der zum Abführen des in dem thermoelektrischen Generator erzeugten elektrischen Stroms vorgesehen ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des thermoelektrischen Gene- rators ist zumindest ein Stützelement vorgesehen, dass mit dem Gehäuse und dem zumindest einen Modul verbunden ist und mit dem Gehäuse und dem zumindest einen Modul eine Abdichtung gegenüber einem Fluid und/oder einem Kühlmittel ausbildet. Das Stützmittel ist insbesondere ähnlich dem erfindungs gemäßen elektrischen Leiter als Plattenelement mit Öffnungen ausgeführt und ist stoff-, form- und/oder kraftschltissig mit dem äußeren Rohr und/oder dem inneren Rohr des Moduls sowie dem Gehäuse verbunden. Das Stützelement dient dazu, die einzelnen Module in einem Gehäuse eines thermoelektrischen Generators zu fixieren und anzuordnen und somit eine dauerfeste Abstützung der Module in dem Gehäuse zu ermöglichen. Darüber hinaus dienen die Stützelemente insbesondere der Abdichtung innerhalb des Gehäuses zwischen dem Bereich der von einem Fluid und dem Bereich der von einem Kühlmittel durchströmt wird. Auch hier ist die Abdichtung insbesondere mit weiteren speziellen Dichtmitteln ausgeführt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Ausführungsform sind die Funktionen zumindest eines Srürzelementes und eines elektrischen Leiters in einem Bauteil zusammengeführt. Dadurch können die Stützfunktion der einzelnen Module sowie die Abdichtung und die elektrische Leitung des in dem Modul erzeugten elektrischen Stromes durch ein Bauteil erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform weist das Gehäuse des thermoelektrischen Generators zumindest ein Kompensationselement auf. Auch dieses Kompensationselement ist insbesondere in gleicher Weise wie das bereits beschriebene Kompensationselement des Moduls ausgeführt. Hier ist also auch insbesondere ein Faltenbalg vorzusehen, der insbesondere Wärmedehnungen gegenüber einer unterschiedlichen Ausdehnung der in dem Gehäuse angeordneten Module zulässt.
Gemäß einer Weiterbildung des thermoelektrischen Generators weist das zumindest eine Modul zumindest eine Struktur zur Strömungsbeeinflussung zumindest des Fluids und/oder des Kühlmittels und/oder zur Wärmeleitung zumindest vom Fluid und/oder Kühlmittel hin zum inneren Rohr oder äußeren Rohr auf. Derartige Strukturen sind für Strömungskanäle und Strömungspfade z. B. Elemente zur Strömungsbeeinflussung und/oder Leitschaufeln und/oder Wärmeleitstrukturen. Diese Strukturen können auf der Außenfläche des äußeren Rohres und/oder auf der Innenfläche des inneren Rohres vorgesehen sein, so dass das diese Flächen überströmende Fluid und/oder Kühlmittel dementsprechend beeinflusst werden kann.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung kann der thermoelektrische Generator auf unterschiedliche Arten von thermoelektrischen Elementen aufwei- sen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Verlustleistung des thermoelektrischen Generators höchstens 10 %. Dabei ist die Verlustleistung der Anteil der durch die thermoelektrischen Elemente erzeugten elektrischen Leis- tung, die infolge von Übergangswiderständen in den elektrischen Leitern zwi- sehen den thermoelektrischen Elementen als Wärmeleistung innerhalb des ther- moelektrischen Generators verloren geht.
Außerdem kann auch vorgesehen sein, dass eine Zusatzkühlung für zumindest einen Teil eines Moduls vorhanden ist. Ganz besonders bevorzugt ist die Zusatzkühlung eine (elektrische beziehungsweise elektromechanische) Umkehr- Schaltung der thermoelektrischen Elemente, so dass diese als Peltier-Elemente wirken. Damit können sie dann sich selbst kühlen für den Fall, dass zu heißes Abgas durch den thermoelektrischen Generator strömt.
Der erfindungsgemäße thermoelektrische Generator wird bevorzugt in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Abgasleitung eingesetzt, wobei das zumindest eine erfϊndungsgemäße Modul von Abgas durchströmt wird. Bei einer derartigen Anordnung eines thermoelektrischen Generators in einer Ab- gasleitung eines Kraftfahrzeuges ist es insbesondere auch vorgesehen, dass das Kühlmittel durch das Modul hindurchströmt und dementsprechend das Abgas innerhalb des Gehäuses des thermoelektrischen Generators die Module überströmt. Insbesondere wird als Kühlmittel Kühlwasser eingesetzt, wobei auch andere Kühlmittel wie Öle einsetzbar sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Abgasleitung sowie einer Abgasrückfuhrungslei- tung vorgeschlagen, in der ein erfindungsgemäßer thermoelektrischer Generator angeordnet ist.
Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Moduls vorgeschlagen, umfassend zumindest die folgenden Schritte: al. Bereitstellen eines inneren Rohrs mit einem Querschnitt und einer äußeren Umfangsfläche, a2. Beschichten zumindest eines Teils der äußeren Umfangsfläche mit i) einem Dielektrikum, und ii) einem Leiterbahnmaterial zur Erzeugung von Leiterbahnen, a3. Aufbringen von Halbleitermaterial oder von zumindest einem thermo- elektrischen Element; und weiter bl . Bereitstellen eines äußeren Rohrs mit einer Innenfläche, b2. Aufbringen auf zumindest einen Teil der Innenfläche i) ein Dielektrikum, und ii) Leiterbahnmaterial zur Erzeugung von Leiterbahnen, und weiter cl . Zusammenführen des äußeren Rohrs und des inneren Rohrs.
Die oben angeführten Teilprozesse a. und b. können getrennt und zeitlich unab- hängig voneinander ausgeführt werden. Die Prozessschritte innerhalb der Teilprozesse sind in der angegebenen sukzessiven Reihenfolge durchzuführen.
Besonders vorteilhaft wird die Beschichtung des inneren Rohres beziehungsweise des äußeren Rohres mit einem Dielektrikum durch ein Tauchbad vorgenommen. Für die Beschichtung des inneren Rohres, beziehungsweise äußeren Rohres mit einem Leiterbahnmaterial, wird dann das bereits mit dem Dielektrikum beschichtete Rohr entweder in ein Leiterbahnmaterialtauchbad eingetaucht oder das Leiterbahnmaterial z. B. mittels Siebdruck insbesondere auf die äußere Umfangsflä- che des inneren Rohres aufgetragen.
Auch das Aufbringen von Halbleitermaterial kann hier im Tauchbad erfolgen. Weiter kann das Halbleitermaterial auch in Form von unterschiedlich dotierten ringförmigen Elementen auf das innere Rohr aufgeschoben werden, so dass in axialer Richtung des Moduls unterschiedlich dotierte Halbleiter durch elektrisch leitende Verbindung durch die elektrischen Leiterbahnen zu einem elektrothermi- schen Element zusammengeschaltet werden können. Neben dem Auftrag als Halbleitermaterial kann in einer bevorzugten Ausfuhrungsform auch ein thermoelektrisches Element direkt auf das entsprechend vorbereitete Innenrohr aufgebracht werden und abhängig von der Ausfuhrungsform des thermoelektrischen Elementes mit anderen thermoelektrischen Elementen parallel oder hintereinander geschaltet werden. Dabei ist bevorzugt, dass ein größtmöglicher Teil der Umfangsfläche des inneren Rohres mit thermoelektrischen Elementen versehen wird. Insbesondere bei der Verwendung von rechteckigen Querschnitten eines inneren Rohres werden die größeren Seitenflächen mit thermoelektrischen Elementen belegt und die kleineren Seitenflächen frei gelassen, so dass eine engere Anordnung einzelner Module innerhalb eines Gehäuses eines thermoelektrischen Generators ermöglicht wird.
Da die innere Oberfläche des äußeren Rohres mit einem Dielektrikum und mit Leiterbahnmaterial beschichtet wird und regelmäßig die Querschnitte des äußeren Rohres so klein sind, dass eine Bearbeitung der inneren Oberfläche nicht möglich ist, werden hier Dielektrikum und Leiterbahnmaterial bevorzugt in einem Tauch- prozess auf die innere Oberfläche des äußeren Rohres aufgetragen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausfuhrungsform des Verfahrens wird, zur Herstellung von Leiterbahnen in bevorzugten Bereichen des äußeren Rohres, so dass applizierte thermoelektrische Elemente beziehungsweise entsprechend dotiertes Halbleitermaterial auf dem inneren Rohr entsprechend verschaltet werden können/kann, nach Schritt b2. i) in das äußere Rohr mit einer glatten Innenfläche und mit der Dielektrikum-Beschichtung in einem Schritt b2. ii) ein inneres profiliertes Rohr aus Leiterbahnmaterial zur Erzeugung der Leiterbahnen eingeschoben und mit dem äußeren Rohr verbunden, insbesondere verlötet. Dabei weist das innere profilierte Rohr einen ersten minimalen Innendurchmesser und eine Profilierung nach außen auf, ist also nur in Teilbereichen mit dem äußeren Rohr, beziehungs- weise mit der Dielektrikum-Beschichtung in Kontakt. Das innere profilierte Rohr bildet nach den Schritten i) und ii) des Schrittes b2. also einen ersten minimalen Innendurchmesser durch die (glatte) Innenfläche des inneren profilierten Rohres, der in einem Schritt b3. (insbesondere durch einen Ausbohrprozess) erweitert wird. Dabei wird das Material des inneren profilierten Rohres soweit abgetragen, dass das Material des inneren profilierten Rohres nur noch in Teilbereichen am äußeren Rohr vorliegt und dementsprechend Leiterbahnen gebildet sind. Somit wird eine (nahezu) ebene Oberfläche an der Innenfläche des äußeren Rohres erzeugt, so dass bei Zusammenfuhren des äußeren Rohres und des inneren Rohres eine entsprechende Leiterbahnanordnung sowohl auf der Außenfläche des inneren Rohres wie auch auf der Innenfläche des äußeren Rohres gebildet ist und ein ent- sprechender Strompfad über die thermoelektrischen Elemente erzeugbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausfuhrungsform des Verfahrens weist das Modul ein erstes Ende und ein zweites Ende auf und die elektrischen Leiterbahnen werden an dem ersten Ende und dem zweiten Ende mit zumindest jeweils einem elektri- sehen Kontakt elektrisch leitend verbunden. Dabei kann der elektrische Kontakt hier als Kabel oder ähnliches ausgeführt sein, der den durch die thermoelektrischen Elemente erzeugten elektrischen Strom zu Bereichen außerhalb des Moduls leiten kann. Insbesondere ist der elektrische Kontakt jedoch so ausgebildet, dass eine insbesondere gasdichte Abdichtung zwischen äußerem Rohr und innerem Rohr erzeugt wird und der elektrische erste Kontakt mit dem vorgeschlagenen erfindungsgemäßen elektrischen Leiter in elektrisch leitender Verbindung ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform des Verfahrens wird das auf der äußeren Umfangsfläche des inneren Rohres aufgetragene Halbleitermaterial nach dem Schritt a3. in einem weiteren Schritt a4. dotiert, so dass zumindest ein thermoelektrisches Element derart gebildet wird.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden anhand der schematischen Figuren veranschaulicht. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten zeigen, die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch: Fig.1 : die Integration des thermoelektrischen Generators in einem Kraftfahrzeug;
Fig. 2: ein inneres Rohr gemäß Schritt al.;
Fig. 3: das innere Rohr gemäß Schritt a2. i);
Fig. 4: das innere Rohr gemäß Schritt a2. ii);
Fig. 5: das innere Rohr gemäß Schritt a3. mit Halbleitermaterial;
Fig. 6: das innere Rohr gemäß Schritt a3. mit thermoelektrischen Elementen;
Fig. 7 : ein äußeres Rohr gemäß Schritt b 1. ;
Fig. 8: das äußere Rohr gemäß Schritt b2. i);
Fig. 9: das äußere Rohr vor einem Schritt b3.;
Fig. 10: das äußere Rohr gemäß Schritt b2. ii) oder gemäß Schritt b3.;
Fig. 1 1 : das innere Rohr und das äußere Rohr vor dem Zusammenfuhren gemäß Schritt cl.;
Fig. 12: eine weitere Ausgestaltung eines Moduls für einen thermoelektrischen Generator;
Fig. 13: eine Ausgestaltung des elektrischen Leiters in einer Seitenansicht und in einer Schnittdarstellung; Fig. 14: eine weitere Ausgestaltung eines thermoelektrischen Generators, und
Fig. 15: eine noch andere Ausgestaltung eines thermoelektrischen Generators.
Fig. 1 veranschaulicht schematisch den bevorzugten Einsatzzweck eines thermoelektrischen Generators 2. Dabei ist ein Kraftfahrzeug 31 mit einer Verbrennungskraftmaschine 32 gezeigt. Das in der Verbrennungskraftmaschine 32, beispielsweise einem Otto-Motor oder einem Diesel-Motor, erzeugte Abgas strömt durch eine Abgasleirung 33 durch unterschiedliche Abgasbehandlungseinhei- ten 44 und durch den thermoelektrischen Generator 2, der hier in einer Abgas- mckfuhrungsleitung 35 angeordnet ist, die die Abgasleirung 33 mit der Luftzufüh- rung 45 der Verbrennungskraftmaschine 32 verbindet. Ein Einbau des thermoelektrischen Generators 2 in einer Abgasrückfuhrungsleitung 35 ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da hier regelmäßig Wärmetauscher vorgesehen sind, die nun durch einen thermoelektrischen Generator 2 ersetzt werden können. Dadurch werden keine zusätzlichen Abgasbehandlungseinheiten 44 in das Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine 32 zusätzlich integriert, so dass insbesondere die bestehenden räumlichen Gegebenheiten eines Kraftfahrzeuges 31 genutzt werden.
Die Fig. 2 bis 12 veranschaulichen die Herstellung eines Moduls 1 des thermoelektrischen Generators. Dabei zeigt Fig. 2 ein inneres Rohr 5 mit einer äußeren Umfangsfläche 37 und einem Querschnitt 36, der insbesondere rund oder mehreckig, insbesondere rechteckig, ausgeführt sein kann.
Fig. 3 zeigt das innere Rohr 5 gemäß dem Verfahrensschritt a2. i) zur Herstellung des Moduls 1, wobei hier die äußere Umfangsfläche 37 des inneren Rohrs 5 mit einer Beschichtung mit einem Dielektrikum 39 versehen wurde. Insbesondere ist hier nicht die gesamte äußere Umfangsfläche 37 des inneren Rohrs 5 mit einem Dielektrikum 39 beschichtet, sondern nur ein Teil 38 der äußeren Umfangsflä- che 37. Insbesondere bei flachen rechteckigen Rohren sind dann nur die größeren Seitenflächen zu beschichten, so dass bei Verwendung mehrerer Module 1 in ei- nem thermoelektrischen Generator eine engere Anordnung der Module 1 realisiert werden kann.
Fig. 4 zeigt das innere Rohr 5 gemäß Verfahrensschritt a2 ii), wobei außen auf die Beschichtung mit Dielektrikum 39 eine weitere Beschichtung mit Leiterbahnmaterial 40 aufgetragen wurde. Das Leiterbahnmaterial 40 ist hier als durchgängige Beschichtung dargestellt, jedoch können auch bereits die später verwendeten Strukturen der Leiterbahnen 19 (z. B. durch ein Siebdruckverfahren siehe Fig. 5) aufgetragen werden.
Fig. 5 zeigt das innere Rohr 5 mit einer Beschichtung mit Dielektrikum 39, einer Beschichtung mit Leiterbahnmaterial 40, die hier dargestellt ist als bereits ausgebildete Leiterbahnen 19, die nur einen Teil 38 der Umfangsfläche 37 des inneren Rohres 5 bedecken. Zusätzlich weist das innere Rohr 5 nun eine Beschichtung mit Halbleitermaterial 41 auf. die hier beispielsweise durch einen Tauchprozess appliziert wurde. Das innere Rohr 5 ist somit dargestellt nach dem Verfahrensschritt a3. Die hier gezeigten Spalte zwischen Dielektrikum 39 und Halbleitermaterial 41 sind nur zur Verdeutlichung der Lage der Leiterbahnen 19 eingefügt. Tatsächlich sind die Leiterbahnen 19 derart dünn ausgeführt, dass das Halbleitermaterial 41 zum einen auf den Leiterbahnen 19 aufliegt und zum anderen auf dem Dielektrikum 39.
Fig. 6 zeigt eine weitere Darstellung des inneren Rohrs 5 nach Verfahrensschritt a3., wobei hier auf die bereits existierende Beschichtung mit Dielektrikum 39 und Leiterbahnmaterial 40, wobei Leiterbahnen 19 hier bereits erzeugt sind, thermo- elektrische Elemente 7 aufgetragen wurde. Diese thermoelektrischen Elemente 7 können auch durch Halbleitermaterial 41 gebildet sein, das insbesondere gemäß einem weiteren Verfahrens schritt nach dem Verfahrensschritt a3. durch eine Bearbeitung in einzelne Segmente aufgeteilt wird, die insbesondere in einem späte- ren Schritt a4. dotiert werden, so dass ein Strompfad entlang der äußeren Umfangsfläche 37 des inneren Rohrs 5 durch das dotierte Halbleitermaterial 41, das nun ein thermoelektrisches Element 7 ist, ausgebildet werden kann. Die Segmentierung kann auch allein durch eine Dotierung gemäß Schritt a4. erfolgen, so dass eine durchgängige Halbleiterschicht ausgebildet ist, durch die, infolge der Dotierung, ein Strompfad erzeugt werden kann.
Fig. 7 zeigt ein äußeres Rohr 6 mit einer Innenfläche 42 gemäß Verfahrensschritt bl. Dabei wird der Innendurchmesser des äußeren Rohrs 6 so gewählt, dass nach den einzelnen vorzunehmenden Verfahrensschritten das innere Rohr 5 und das äußere Rohr 6 zusammengeschoben werden können und ein funktionales Modul mit sich kontaktierenden Oberflächen ergeben.
Fig. 8 zeigt in der linken Bildhälfte das äußere Rohr 6 mit einer Beschichtung von Dielektrikum 39 gemäß Verfahrensschritt b2 i). In der rechten Bildhälfte ist ein inneres profiliertes Rohr 47 dargestellt, dass aus Leiterbahnmaterial 40 besteht. Das innere profilierte Rohr 47 hat einen ersten minimalen Innendurchmesser 43.
Fig. 9 zeigt das äußere Rohr 6 mit einer weiteren Schicht bestehend aus Leitermaterial 40 zur Erzeugung von Leiterbahnen, die innen auf der Beschichtung mit Dielektrikum 39 aufliegt. Diese Schicht kann entsprechend Fig. 8 durch das Zu- sammenführen des äußeren Rohres 6 und eines inneren profilierten Rohres 47 aus Leiterbahnmaterial 40 erzeugt werden. Die Profilierung des inneren profilierten Rohres 47 ist nach außen ausgebildet, so dass das innere profilierte Rohr 47 nur in Teilbereichen an der Innenfläche 42 des äußeren Rohres 6, beziehungsweise an dem Dielektrikum 39, aufliegt. Fig. 9 zeigt also das äußere Rohr 6 vor einem Schritt b3. in dem dann der erste minimale Innendurchmesser 43 aufgeweitet wird.
Fig. 10 zeigt das äußere Rohr 6 gemäß einem Schritt b2. ii) oder nach einem
Schritt b3., in dem der minimale Innendurchmesser 43 (s. Fig. 9) durch z. B. ein Aufbohrverfahren vergrößert wurde, und nun eine (nahezu) glatte Innenoberfläche erzeugt ist, da die Leiterbahnen 19 nur eine sehr geringe Erhebung gegenüber dem Dielektrikum 39 aufweisen. Auf dieser Innenoberfläche wechseln sich Dielektrikum 39 und Leiterbahnmaterial 40 gegenseitig ab, beziehungsweise ist eine dem inneren profilierten Rohr 47 (s. Fig. 9) entsprechende Anordnung von Dielektrikum 39 und Leiterbahnmaterial 40 ausgebildet. Das Leiterbahnmaterial 40 liegt nun nur in Teilbereichen vor und bildet entsprechende Leiterbahnen 19.
Fig. 11 zeigt in der linken Bildhälfte das innere Rohr 5 nach Verfahrensschritt a3. beziehungsweise nach Verfahrensschritt a4., wobei eine Beschichtung mit Dielektrikum 39 vorgenommen wurde und Leiterbahnen 19 ausgebildet sind. Weiterhin sind thermoelektrische Elemente 7 beziehungsweise dotiertes Halbleitermaterial 41 auf der Oberfläche derart angeordnet, dass nach Zusammenführen des inneren Rohrs 5 mit dem in der rechten Bildhälfte dargestellten äußeren Rohr 6, mit einer Struktur von Dielektrikum 39 und Leiterbahnen 19, ein Strompfad durch ein so erzeugtes Modul 1 gebildet ist.
Fig. 12 zeigt ein Modul 1, das erzeugt wurde durch das Zusammenführen (gemäß Schritt cl.) des inneren Rohrs 5 nach den Verfahrensschritten a3. beziehungsweise a4. und des äußeren Rohrs 6 nach dem Verfahrenschritt b2. ii) beziehungsweise b3. Das Modul 1 weist ein erstes Ende 3 und ein gegenüberliegend angeordnetes zweites Ende 4 auf, wobei zwischen dem äußeren Rohr 6 und dem inneren Rohr 5 thermoelektrische Elemente 7 derart angeordnet sind, dass zumindest ein elektrischer Strompfad von dem ersten Ende 3 zu dem zweiten Ende 4 gebildet ist. Auch die Ausbildung von mehreren parallelen Strompfaden ist hier möglich. Weiter sind insbesondere durch das Leiterbahnmaterial 40 erste Kontakte 8 an dem ersten Ende 3 und an dem zweiten Ende 4 gebildet, die eine elektrische Kontaktierung zu Komponenten außerhalb des Moduls 1 ermöglichen, so dass ein elektrischer Strom, der durch eine Temperaturdifferenz zwischen äußerem Rohr 6 und innerem Rohr 5 erzeugt wurde, aus dem Modul 1 abgeführt werden kann. Das äußere Rohr 6 weist weiterhin zumindest ein Kompensationselement 10, das in einer Dis- tanz 11 zumindest von einem ersten Ende 3 angeordnet ist, auf. Dieses Kompensationselement 10 dient dazu, dass in Folge der Temperaturdifferenz zwischen äußerem Rohr 6 und innerem Rohr 5 eine unterschiedliche Wärmeausdehnung des äußeren Rohrs 6 gegenüber dem inneren Rohr 5 kompensiert werden kann, so dass keine strukturelle Beschädigung des Moduls 1 erfolgt.
Fig. 13 zeigt in zwei Darstellungen einen elektrischen Leiter 9, der insbesondere in einem thermoelektrischen Generator eingesetzt werden kann. In der linken Bildhälfte ist der elektrische Leiter 9 in einer Seitenansicht und in der rechten Bildhälfte in einer Draufsicht dargestellt. Dabei weist der elektrische Leiter 9 eine erste Stirnfläche 14 und eine zweite Stirnfläche 15 auf, die durch Öffnungen 17 miteinander verbunden sind. Weiter weist der elektrische Leiter 9 einen äußeren Rand 16 auf. Der elektrische Leiter 9 ist zudem insbesondere mit einer Elektrode 12 verbunden, so das ein elektrischer Strom, der durch den elektrischen Leiter 9 fließt, über die Elektrode 12 abgegriffen werden kann. Dabei ist der äußere Rand 16 so gestaltet, dass insbesondere entweder eine elektrische Isolierung des Randes 16 gegenüber einem Gehäuse eines thermoelektrischen Generators 2, oder dass eine elektrische leitende Verbindung mit dem Gehäuse realisiert werden kann. Der elektrische Leiter 9 weist zudem insbesondere zweite Kontakte 18 auf, die elektrisch leitend mit dem elektrischen Leiter 9 verbunden sind. Diese können insbesondere stoffschlüssig mit diesem verbunden sein. Insbesondere sind die zweiten Kontakte 18 derart ausgeführt, dass sie die Öffnungen 17 zumindest teilweise umgeben. Dabei sind die zweiten Kontakte 18 zur elektrisch leitenden Verbindung des elektrischen Leiters 9 mit den Modulen vorgesehen, so dass ein in den Modulen erzeugter elektrischer Strom über den elektrischen Leiter 9 hin zu Komponenten eines Kraftfahrzeuges oder einer Anlage abgeführt werden kann.
Fig. 14 zeigt eine erste Ausgestaltung eines thermoelektrischen Generators 2. Dieser weist ein Gehäuse 13 auf, in dem mehrere Module 1 vorgesehen sind. Dabei weist das Gehäuse 13 einen Fluideintritt 20 und einen Fluidaustritt 21 auf sowie einen Kühlmitteleintritt 22 und einen Kühlmittelaustritt 23. Das Gehäuse 13 des thermoelektrischen Generators 2 wird also von einem Fluid 20, insbesondere einem Abgas 34, durch den Fluideintritt 20 beziehungsweise den Fluidaustritt 21 und gleichzeitig durch ein Kühlmittel 29, das durch Kühlmitteleintritt 22 und einen Kühlrnittelaustritt 23 strömt, durchströmt. Kühlmittel 29 und Fluid 28 sind dabei insbesondere durch Stützelemente 26 in Verbindung mit dem Gehäuse 13 und/oder mit den Modulen 1 voneinander abgedichtet. Die Stützelemente 26 sind insbesondere dafür vorgesehen, die Module 1 innerhalb des Gehäuses 13 des thermoelektrischen Generators 2 zu fixieren.
Die Module 1 sind aufgebaut aus einem inneren Rohr 5 und einem äußeren Rohr 6 sowie dazwischen angeordneten thermoelektrischen Elementen 7, so dass durch die von einem Fluid 28 und einem Kühlmittel 29 erzeugte Temperaturdifferenz zwischen äußerem Rohr 6 und innerem Rohr 5 des Moduls 1 ein elektrischer Strom erzeugt wird, der durch elektrische Leiter 9 aus dem Gehäuse 13 abgeführt werden kann. Dabei ist bevorzugt ein erster elektrischer Leiter 24 vorgesehen, der elektrisch leitend mit dem Gehäuse 13 und dem Modul 1 beziehungsweise den darin angeordneten thermoelektrischen Elementen 7 elektrisch leitend verbunden ist. Weiterhin ist ein zweiter elektrischer Leiter 25 vorgesehen, der ebenfalls elektrisch leitend mit den Modulen 1 und insbesondere mit den thermoelektrischen Elementen 7 des Moduls 1 elektrisch leitend verbunden ist und ein durch die Temperaturdifferenz erzeugten Strom somit über eine Elektrode 12 nach außer- halb des Gehäuses 13 abführen kann. Der zweite elektrische Leiter 25 ist dazu gegenüber dem Gehäuse 13 des thermoelektrischen Generators 2 durch eine Isolation 46 elektrisch isoliert angeordnet. Die elektrischen Leiter 9, 24, 25 sind dabei über erste Kontakte 8 beziehungsweise zweite Kontakte 18 jeweils mit den thermoelektrischen Elementen 7 der einzelnen Module 1 elektrisch leitend verbunden. Die ersten Kontakte 8 beziehungsweise die zweiten Kontakte 18 können dabei in einem Bauteil gemeinsam realisiert sein, so dass dieses Bauteil entweder an dem elektrischen Leiter 9 unverlierbar angeordnet ist, z. B. durch schweißen oder löten, oder an dem Modul 1. Der Bereich zwischen dem inneren Rohr 5 und dem äußeren Rohr 6 des Moduls 1 ist dabei zumindest durch die ersten Kontakte 8 beziehungsweise die zweiten Kontakte 18 abgedichtet, so dass ein Fluid 28 bezie- hungs weise ein Abgas 34 nicht in diesen Zwischenraum eindringen kann und gegebenenfalls korrosiv wirken kann.
Das Fluid 28 fließt, wie dargestellt, in das Gehäuse 13 des thermoelektrischen Generators 2 über einen Fluideintritt 20 und durchströmt die Öffnungen 17 des elektrischen Leiters 9 in die inneren Rohre 5 der einzelnen Module 1 hinein. Nach Durchströmen der Module 1 strömt das Fluid 28 erneut durch Öffnungen 17 eines weiteren elektrischen Leiters 9 und über einen Fluidaustritt 21 aus dem thermoelektrischen Generator aus. Die Module 1 werden zudem über die Oberfläche der äußeren Rohre 6 durch ein Kühlmittel 29 überströmt, so dass eine Temperaturdifferenz von innerem Rohr 5 zu äußeren Rohr 6 ausgebildet ist. Zur Kompensation einer möglichen Wärmedehnung insbesondere der Module 1 ist auch in dem Gehäuse 13 zumindest ein Kompensationselement 10 vorgesehen, das eine Ausdehnung des Gehäuses 13 des thermoelektrischen Generators 2 ermöglicht.
Fig. 15 zeigt eine zweite Ausgestaltung des thermoelektrischen Generators 2, wobei hier insbesondere Fluideintritt 20 und Fluidaustritt 21, KübJmitteleintritt 22 und Kühlmittelaustritt 23 miteinander vertauscht wurden. Die Module 1 werden hier also von einem Kühlmittel 29 durch die inneren Rohre 5 durchströmt, wobei ein Fluid 28 beziehungsweise ein Abgas 34 über die Oberfläche der äußeren Rohre 6 geleitet wird. Dabei sind auch hier Stützelemente 26 vorgesehen, die mit dem Gehäuse 13 und den Modulen 1 eine Abdichtung 27 zwischen dem Bereich des Gehäuses 13, das mit einem Kühlmittel beaufschlagt ist, und dem Bereich des Gehäuses 13, das mit einem Fluid 28 beaufschlagt ist, bilden. Die Stützelemente 26 sind hier mit den inneren Rohren 5 der Module 1 verbunden, so dass diese in dem Gehäuse 13 abgestützt sind. Dadurch wird erreicht, dass der Zwischenbereich zwischen äußerem Rohr 6 und innerem Rohr 5 durch wenigstens erste Kontakte 8 beziehungsweise zweite Kontakte 18 nur gegen das Fluid 28 beziehungsweise Abgas 34 abgedichtet werden muss. Weiterhin sind hier auf der äußeren Oberflä- che des äußeren Rohrs 6 Strukturen 30 vorgesehen, die eine verbesserte Wärmeleitung zwischen Fluid 28 beziehungsweise Abgas 34 und äußerem Rohr 6 ermög- liehen. Ähnliche Strukturen 30 sind auch innerhalb der inneren Rohre 5 vorgesehen, die eine Turbulenz eines durchströmenden Fluids 28 oder aber auch eines durchströmenden Kühlmittels 29 hervorrufen, so dass ein besserer Wärmeübergang zwischen Fluid 28 beziehungsweise Kühlmittel 29 und dem inneren Rohr 5 ermöglicht ist. Die Strukturen 30 können auch als Wärmeleitelemente vorgesehen sein, so dass der Wärmeübergang zwischen innerem Rohr 5 zum Fluid 28 beziehungsweise zum Kühlmittel 29 hin verbessert wird.
Die in Fig. 14 und 15 gezeigten Stützelemente 26 können zusammen mit den e- lektrischen Leitern 9 jeweils als gemeinsame Bauteile ausgeführt sein. Die Stützfunktion der Module 1, die Funktion einer Abdichtung 27 mit Gehäuse 13 und mit den Modulen 1 sowie die Leitung eines elektrischen Stromes sind dann durch ein Bauteil realisiert.
Weiterhin kann auch der erste elektrische Leiter 24 gegenüber dem Gehäuse 13 isoliert ausgeführt sein, beziehungsweise das Gehäuse 13 isoliert ausgeführt sein gegenüber dem Abgassystem der Verbrennungskraftmaschine 32. Dadurch würden die Module 1 gegenüber der Abgasanlage spannungstechnisch unabhängig ausgeführt sein und könnten dementsprechend mit der Masse des Kraftfahrzeugs oder dem Minuspol eines Stromversorgers verbunden sein.
Bezugszeichenliste
1 Modul
2 Thermoelektrischer Generator
3 Erstes Ende
4 Zweites Ende
5 Inneres Rohr
6 Äußeres Rohr
7 Thermoelektrisches Element
8 Erster Kontakt
9 Elektrischer Leiter
10 Kompensationselement
11 Distanz
12 Elektrode
13 Gehäuse
14 Erste Stirnfläche
15 Zweite Stirnfläche
16 Rand
17 Öffnung
18 Zweiter Kontakt
19 Leiterbahn
20 Fluideintritt
21 Fluidaustritt
22 Kühlmitteleintritt
23 Kühlmittelaustritt
24 Erster elektrischer Leiter
25 Zweiter elektrischer Leiter
26 Stützelement
27 Abdichtung
28 Fluid 29 Kühlmittel
30 Struktur
31 Kraftfahrzeug
32 Verbrennungskraftmaschine
33 Abgasleitung
34 Abgas
35 Abgasrückfuhrungsleitung
36 Querschnitt
37 Äußere Umfangsfläche
38 Teil
39 Dielektrikum
40 Leiterbahnmaterial
41 Halbleitermaterial
42 Innenfläche
43 Minimaler Innendurchmesser
44 Abgasbehandlungseinheit
45 Luftzuführung
46 Isolation
Al Inneres profiliertes Rohr

Claims

Patentansprüche
1. Modul (1) für einen thermoelektrischen Generator (2) mit einem ersten En- de (3) und einem zweiten Ende (4), das zumindest ein inneres Rohr (5) und ein außen um das innere Rohr (5) herum angeordnetes äußeren Rohr (6) sowie zumindest ein thermoelektrisches Element (7) aufweist, das zwischen innerem Rohr (5) und äußerem Rohr (6) angeordnet ist, wobei das innere Rohr (5) und das äußere Rohr (6) jeweils elektrisch isoliert sind gegenüber dem zumindest einen thermoelektrischen Element (7), und weiter jeweils zumindest ein elektrisch leitender erster Kontakt (8) an dem ersten Ende (3) und an dem zweiten Ende (4) vorgesehen ist, welcher zur elektrisch leitenden Verbindung des zumindest einen thermoelektrischen Elements (7) mit einem elektrischen Leiter (9) dient, und bei dem das Modul (1) von dem ers- ten Ende (3) zu dem zweiten Ende (4) für ein Fluid (28) oder ein Kühlmittel
(29) durchströmbar ist.
2. Modul (1) nach Patentanspruch 1, wobei die elektrisch leitenden ersten Kontakte (8) eine Abdichtung zwischen dem äußeren Rohr (6) und dem in- neren Rohr (5) bilden.
3. Modul (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei zumindest ein Kompensationselement (10) zum Ausgleich unterschiedlicher Ausdehnungen des inneren Rohres (5) gegenüber dem äußeren Rohr (6) im äußeren Rohr (6) vorge- sehen ist.
4. Modul (1) nach Patentanspruch 3, wobei ein Kompensationselement (10) in einer Distanz (11) von 2 bis 10 cm von dem ersten Ende (3) oder dem zweiten Ende (4) oder einem weiteren Kompensationselement (10) angeordnet ist.
5. Elektrischer Leiter (9) zur elektrisch leitenden Verbindung zumindest eines Moduls (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4 mit einer Elektrode (12) oder einem Gehäuse (13), wobei der elektrische Leiter (9) plattenförmig ist und eine erste Stirnfläche (14) und eine zweite Stirnfläche (15) sowie eine Umfangsfläche (16) aufweist, wobei die erste Stirnseite (14) mit der zweiten
Stirnseite (15) über zumindest eine Öffnung (17) verbunden ist, wobei die zumindest eine Öffnung (17) zur Aufnahme des Moduls (1) vorgesehen ist und der elektrische Leiter (9) elektrisch leitende zweite Kontakte (18) aufweist zur elektrisch leitenden Verbindung der ersten Kontakte (8) des Mo- duls (1) mit dem elektrischen Leiter (9).
6. Thermoelektrischer Generator (2), zumindest aufweisend
- wenigstens ein Modul (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4,
- wenigstens einen Fluideintritt (20) und einen Flui daustritt (21), - wenigstens einen Kühlmitteleintritt (22) und einen Kühlmittelaustritt
(23), und
- ein Gehäuse (13), wobei das wenigstens eine Modul (1) zumindest an dem ersten Ende (3) oder dem zweiten Ende (4) über das innere Rohr (5) oder über das äußere Rohr (6) in einem elektrischen Leiter (9) nach Patentanspruch 5 aufgenommen ist.
7. Thermoelektrischer Generator (2) nach Patentanspruch 6, wobei zumindest ein Stützelement (26) vorgesehen ist, das mit dem Gehäuse (13) und dem wenigstens einen Modul (1) verbunden ist, und mit dem Gehäuse (13) und dem zumindest einen Modul (1) eine Abdichtung (27) gegenüber einem Fluid (28) und einem Kühlmittel (29) ausbildet.
8. Thermoelektrischer Generator (2) nach Patentanspruch 6 oder 7, wobei das Gehäuse (13) zumindest ein Kompensationselement (10) aufweist.
9. Thermoelektrischer Generator (2) nach einem der Patentansprüche 6 bis 8, wobei das zumindest eine Modul (1) zumindest eine Struktur (30) zur Strömungsbeeinflussung zumindest des Fluides (28) oder des Kühlmittels (29) und/oder zur Wärmeleitung zumindest vom Fluid (28) oder Kühlmittel (29) hin zum inneren Rohr (5) oder äußeren Rohr (6) aufweist.
10. Kraftfahrzeug (31) mit einer Verbrennungskraftmaschine (32) und einer Abgasleitung (33) und einem thermoelektrischen Generator (2) nach einem der Patentansprüche 6 bis 9, wobei das zumindest eine Modul (1) von Abgas (34) durchströmt wird.
11. Kraftfahrzeug (31) mit einem Verbrennungskraftmaschine (32) und einer Abgasleitung (33) und einer Abgasriickführungsleitung (35) und einem thermoelektrischen Generator (2) nach einem der Patentansprüche 6 bis 9, der in der Abgasröckfuhrungsleitung (35) angeordnet ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Moduls (1), umfassend zumindest die folgenden Schritte: al . Bereitstellen eines inneren Rohrs (5) mit einem Querschnitt (36) und einer äußeren Umfangsfläche (37), a2. Beschichten zumindest eines Teils (38) der äußeren Umfangsfläche (37) mit i) einem Dielektrikum (39), und ii) einem Leiterbahnmaterial (40) zur Erzeugung von Leiterbahnen (19), a3. Aufbringen von Halbleitermaterial (41) oder von zumindest einem thermoelektrischen Element (7); und weiter bl . Bereitstellen eines äußeren Rohrs (6) mit einer Innenfläche (42), b2. Aufbringen auf zumindest einen Teil (38) der Innenfläche (42) i) ein Dielektrikum (39), und ii) Leiterbahnmaterial (40) zur Erzeugung von Leiterbahnen (19), und weiter cl . Zusammenführen des äußeren Rohrs (6) und des inneren Rohrs (5).
13. Verfahren gemäß Patentanspruch 12, wobei das Modul (1) ein erstes Ende (3) und ein zweites Ende (4) aufweist und die elektrischen Leiterbahnen (19) an dem ersten Ende (3) und dem zweiten Ende (4) mit zumindest jeweils einem elektrischen Kontakt (8, 18) elektrisch leitend verbunden werden.
14. Verfahren gemäß Patentanspruch 12 oder 13, wobei das auf die Umfangs- fläche (37) des inneren Rohrs (5) aufgetragene Halbleitermaterial (41) nach Schritt a3. in einem Schritt a4. dotiert wird zur Bildung von zumindest einem thermoelektrischen Element (7).
15. Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 12 bis 14, wobei in dem Schritt b2 ii) das Leiterbahnmaterial (40) in Form eines inneren profilierten Rohres (47) mit einem minimalen Innendurchmesser (43) in das äußere Rohr (6) eingeschoben und mit diesem verbunden wird und gemäß einem weiteren Schritt b3. der minimale Innendurchmesser (43) aufgeweitet wird.
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