WO2010106156A2 - Thermoelektrische vorrichtung - Google Patents

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WO2010106156A2
WO2010106156A2 PCT/EP2010/053594 EP2010053594W WO2010106156A2 WO 2010106156 A2 WO2010106156 A2 WO 2010106156A2 EP 2010053594 W EP2010053594 W EP 2010053594W WO 2010106156 A2 WO2010106156 A2 WO 2010106156A2
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WO
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thermoelectric
semiconductor elements
thermoelectric device
carrier layer
exhaust gas
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PCT/EP2010/053594
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Sigrid Limbeck
Rolf BRÜCK
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Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F01N5/025—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat the device being thermoelectric generators
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric device for generating electrical energy, for. B. from the exhaust of an internal combustion engine, by means of a generator.
  • This means in particular, a generator for converting thermal energy of an exhaust gas into electrical energy, that is to say a so-called thermoelectric generator.
  • the exhaust gas from an engine of a motor vehicle has thermal energy, which can be converted by means of a thermoelectric generator or apparatus into electrical energy, for example, to fill a battery or other energy storage or electrical consumers to supply the required energy directly.
  • thermoelectric generator or apparatus into electrical energy, for example, to fill a battery or other energy storage or electrical consumers to supply the required energy directly.
  • thermoelectric generator has at least a plurality of thermoelectric conversion 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 converting thermal energy into electrical energy and is used to generate ther- moelectric 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 through different materials
  • the “Peltier effect” has already been proposed for thermoelectric cooling, for example.
  • thermoelectric conversion elements preferably have a multiplicity of thermoelectric elements which are positioned between a so-called hot side and a so-called cold side.
  • Thermoelectric elements include z. B. at least two semiconductor blocks (p- and n-doped), which are mutually provided on their upper and lower sides (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 for use in motor vehicles, especially passenger cars.
  • thermoelectric generators usually require very large installation space and therefore can hardly be integrated into the existing exhaust systems.
  • thermoelectric generator is to be specified, which is suitable for versatile applications and which enables improved efficiency with regard to the conversion of provided thermal energy into electrical energy.
  • the thermoelectric generator should be suitable to be adapted as flexibly as possible to different performance requirements.
  • the thermoelectric generator should be suitable for as flexible as possible to be adapted to different performance requirements.
  • a particularly suitable possibility for fixing or interconnecting the semiconductor elements in a thermoelectric device is also to be specified.
  • thermoelectric generator comprises a plurality of thermoelectric devices arranged successively through an exhaust gas of an internal combustion engine, wherein each thermoelectric device forms at least one hot flow path for the exhaust gas and at least one cool flow path for a cooling fluid, between which a plurality of P- and n-doped semiconductor elements selectively connected and arranged in isolation, and in which at least one thermoelectric device, at least a portion of the semiconductor elements are fixed on a flexible medium.
  • thermoelectric generator is understood in particular to mean a complete system in a motor vehicle, which has a plurality of thermoelectric devices.
  • the thermoelectric devices are in particular demarcated units, which are flowed through by the exhaust gas of an internal combustion engine sequentially from the exhaust gas.
  • thermoelectric generator it is possible to design a thermoelectric generator but in particular with 3, 4 or 5 such thermoelectric devices.
  • Each of these thermoelectric devices forms a type of heat exchanger with one or more hot flow paths leading the exhaust gas through the thermoelectric device.
  • one or more radiator flow paths are provided through which the cooling fluid is passed through the thermoelectric device.
  • the different flow paths are arranged so that a heat exchange between see exhaust gas and cooling fluid is made possible over a heat exchange surface.
  • the flow paths can be positioned substantially parallel and / or perpendicular to one another. It is preferred, for example, that a single large flow path is provided, which is traversed by a plurality of smaller, for example tube-like, cool flow paths. This also ensures that the exhaust gas flows around the cool flow paths on the outside.
  • a plurality of p- and n-doped semiconductor elements is now provided. These are partially electrically insulated so that a targeted interconnection of the p- and n-doped semiconductor elements is realized. This will be explained in detail below.
  • the thermoelectric generator proposed here it is refrained from receiving the entire energy of the exhaust gas via a single structural unit of a thermoelectric device.
  • thermoelectric devices By using a plurality of thermoelectric devices, a multi-stage thermoelectric generator is formed, wherein in each stage, a targeted utilization of the respective existing thermal conditions is performed.
  • the individual thermoelectric devices are, for example, electrically insulated from one another as a structural unit, the current generated in each case being dissipated.
  • the individual thermoelectric devices are now connected so that, as a result, a voltage of 12 to 15 V is allowed in the operation of the internal combustion engine.
  • the individual thermoelectric devices can essentially be referred to
  • thermoelectric devices are arranged directly behind one another, so in particular no further components between the individual thermoelectric devices (with the exception of optionally an exhaust pipe) are arranged.
  • thermoelectric device has at least the following: at least one module with a first carrier layer and a second carrier layer, a gap between the first carrier layer and the second carrier layer, an electrical insulation layer on the first carrier layer and on the second carrier layer towards the gap , - A plurality of p- and n-doped semiconductor elements, which are alternately arranged in the space between the insulating layers and alternately electrically connected to each other.
  • thermoelectric device proposed here is composed in particular in layers or in layers, in particular with a plurality of (identical) modules to form a thermoelectric generator.
  • several interconnected modules form a thermoelectric device.
  • the thermoelectric device is arranged in particular in a housing in which a plurality of thermoelectric devices can be arranged together as a unit for forming a thermoelectric generator.
  • the thermoelectric device has, in addition to the module, in particular sealing means, which close the gap to the outside, as well as connection elements for generating an electrical circuit, which can conduct the electric current generated in the module to a memory or consumer of a motor vehicle.
  • the semiconductor elements are in particular arranged side by side between two carrier layers, which in particular form the outer boundary of the thermoelectric device.
  • the outer carrier layers form primarily a heat transfer layer, which enables a heat transfer from the thermoelectric device to the fluids flowing around the thermoelectric device.
  • the first / second carrier layer with a so-called hot side, in particular a fluid at elevated temperature
  • the other (second / first) carrier layer with a cold side in particular with a low-temperature fluid, in thermally conductive connection.
  • a temperature potential is formed between the carrier layers via the thermoelectric device, which generates an electrical current through the mutually interconnected semiconductor elements as a result of the "Seebeck effect.”
  • the carrier layers are in particular at least partially constructed of steel and / or aluminum.
  • the intermediate space thus has, in particular, only one extension, which is predetermined essentially only by a height and a number and by the arrangement of the semiconductor elements.
  • the carrier layers at least partially have an electrical insulation layer on which the semiconductor elements are fixed and electrically connected to one another.
  • An insulating layer is in particular an aluminum oxide layer.
  • care must be taken that it does not unduly hinder the heat transfer from an outside of the carrier layer to the semiconductor elements. This can in particular also be achieved in that the electrical insulation layer is actually provided only in the area of the contact surface of the semiconductor elements with the carrier layer.
  • conductive materials for the p-doped and n-doped semiconductor elements for example, bismuth tellurite (Bi2Te3) can be used.
  • Bi2Te3 bismuth tellurite
  • the following materials could be used [up to the following maximum temperatures in C]:
  • n type Bi2Te3 [approx. 250 C];
  • SiGe [approx. 1000 C]
  • Mg2 (Si, Sb) [approx. 600 C].
  • thermoelectric device so the two carrier layers are used to limit the gap and for a Heat transfer to the semiconductor elements.
  • the semiconductor elements may be provided, for example, in the manner of small cuboids and / or small elongated rods of differently electrically conductive material.
  • Each two different semiconductor elements p-doped and n-doped are electrically connected to each other so that together they result in a series connection.
  • One of the two carrier layers absorbs the inflowing heat flow (hot side), while the other carrier layer releases the outflowing heat flow (cold side).
  • thermoelectric device has one or more groups of semiconductor elements connected in series with one another, wherein the groups each have independent circuits or are connected to one another via an electrical parallel connection.
  • the thermoelectric generator is when at least one part of the semiconductor elements is fixed on a flexible medium in at least one thermoelectric device.
  • a significant temperature gradient arises between the hot flow paths and the cool flow paths, which is very advantageous for the generation of energy via the semiconductor dementer.
  • the operation of the internal combustion engine results in a dynamic, widely varying temperature distribution in the thermoelectric generator. Even during the starting phase or after switching off the internal combustion engine, significant temperatures and differences are achieved. As a result, the components of the thermoelectric generator of the thermoelectric device exhibit a partially very different thermal expansion behavior. This can lead, in particular to the semiconductor elements to voltages.
  • a flexible medium for fixing.
  • a flexible medium for example, resilient and / or compressible materials can be used.
  • foams, nonwovens or similar media can be used.
  • this flexible medium is even heat-conducting, so that good heat conduction from the hot side or the cold side to the semiconductor elements is ensured.
  • the so flexible medium can also be designed so that concrete current paths for an interconnection of the semiconductor elements are incorporated.
  • separate conductors and / or suitable insulation materials can be used.
  • the flexible medium is chosen so that an elastic deformation of the flexible medium takes place during operation, so that the different thermal expansions of the materials are now compensated for and essentially a constant pressure is set on the semiconductor elements.
  • the semiconductor elements are at least partially acted upon by a pressure medium.
  • the pressure medium can be used in particular to reverse the compression of flexible media during operation.
  • a pressure medium is in particular a liquid into consideration, such as an oil.
  • the pressure medium in particular also has a high thermal conductivity, but preferably has no electrical conductivity.
  • the thermal conductivity of the pressure medium in turn ensures a heat transfer from the ice side or cold side to the semiconductor elements, the property as an electrical insulator ensures at the same time that no unwanted electrical connections of Halbleitele- elements are realized.
  • the pressure medium can flow in a compression of the flexible medium in a corresponding equalization volume and is by providing a corresponding pressure, for example via a pump or a corresponding pressure vessel, again introduced into the flexible medium when the thermal stresses are dissipated.
  • the concept disclosed herein of fixing the semiconductor elements on a flexible medium can also be used independently of the construction of the thermoelectric generator, that is, for example, for any other, for example
  • the fixation of a semiconductor element may take place such that the semiconductor element is first arranged on a diffusion barrier under which solder material (for example also as current conductor) is located
  • solder material for example also as current conductor
  • This flexible medium is fixed to the wall of the flow path (and, for example, an inner tube and / or outer tube) by means of solder material.
  • the flexible medium is capable of differential expansion in a xialer and / or radial direction with respect to this composite to compensate, the restoring force or the maximum pressure of this composite on a corresponding pressure medium (for example, an oil) is set. This pressure is preferably substantially equal during operation of the thermoelectric device.
  • thermoelectric see seeing device is at least a part of the semiconductor elements configured annular and each with an outer motivationsf laugh and an inner peripheral surface connected to the electrical insulation layer.
  • annular means that the semiconductor element forms at least a portion of a circular ring.
  • the carrier layers form the outer circumferential surface and the inner circumferential surface of a tube, so that a double-tube wall is formed, in the intermediate space, the semiconductor elements are arranged.
  • thermoelectric device constructed in this way is flowed through by a fluid through a channel formed by the inner peripheral surface of the tube and overflowed by another fluid on the outer circumferential surface, so that a temperature potential can be generated across the double tube wall.
  • the semiconductor elements are arranged within the double tube wall and in particular circumferentially closed executed in the form of a circular ring.
  • the semiconductor elements may in particular also have the shape of a circular ring segment. Again, the semiconductor elements are arranged side by side or one behind the other along an axial direction of the tube.
  • An annular or circular ring segment-shaped configuration of the semiconductor elements is preferred because between adjacent cylindrical or cuboid semiconductor elements on a curved surface gaps between the semiconductor elements are generated, which expand in the radial direction and thus a lower volume utilization of the space is given.
  • the circular ring shape may correspond in particular to a circular shape, but oval embodiments are possible.
  • the semiconductor elements it is also possible here for the semiconductor elements to have a 180 circular ring shape, which are then offset / alternately electrically connected to one another.
  • the p- and n-doped semiconductor elements are electrically connected to each other on the electrical insulation layer by a solder material, wherein at least one of the following conditions is met: a) the p- and n-doped semiconductor elements each have the same size Electricity transfer surfaces on; b) the solder material has a solder thickness and the ratio of a height of the semiconductor elements to the solder thickness is greater than 5: 1; c) the solder material is an element from the group active solder, silver solder. It is preferred that the soldering points or soldering surfaces used for fixing the semiconductor elements do not exceed the contact area of the semiconductor elements with the insulation layer.
  • the solder material is preferably applied by printing an adhesive onto the electrical insulating layer at the desired locations in order to then bring the carrier layers into contact with pulverulent solder material which adheres to these predetermined adhesive sites.
  • the grain size of the solder material is to be chosen such that exactly as much solder material is made available that the desired contact surface formed by the solder material is formed.
  • thermoelectric see device in which the positioning of the interconnects on the one carrier layer with the interconnects on the other carrier layer are tuned such that an alternately electrical connection of the semiconductor elements is achieved, so that a series circuit through the Thermoelectric device can be generated.
  • the semiconductor elements used preferably have a height of 1 to 5 mm. This leads to a particularly compact design of the thermoelectric device and also ensures a sufficient temperature difference between the carrier layers over the gap. Regularly all semiconductor elements will have the same height.
  • the ratio of the height of the semiconductor elements to the solder thickness is in particular more than 10 to 1, preferably more than 20 to 1 and particularly preferably more than 50 to 1. The limitation of the solder thickness also promotes a compact design of the thermoelectric device.
  • the solder material is selected from the group of active solder, silver solder and in particular from the solder materials according to European Standard EN 1044: 1999: AG301, AG302, AG303, AG304, AG3O5, AG306, AG307, AG308, AG309, AG351, AG401, AG402, AG403 , AG501, AG5O2, AG5O3, AG101, AG102, AG103, AG104, AG105, AG106, AG107, AG108, AG201, AG202, AG203, AG204, AG2O5, AG206, AG207, AG208. Possibly.
  • other high-temperature-resistant solders matched to the semiconductor materials may also be used, taking into account the application case.
  • thermoelectric device a first contact area between the first carrier layer and the semiconductor element and a second contact area between the second carrier layer and the semiconductor element have different sizes across the electrical insulation layer and have a ratio of the first contact area to the second contact area of up to one : 3 up.
  • the first contact surface and the second contact surface are each defined as the surface of the semiconductor element which is connected to the first or second carrier layer via the electrical insulation layer or over the Lotmaterial is connected. Due to the different design of the first and second contact surface also a higher productivity of the production of the thermoelectric device is made possible.
  • thermoelectric device As a result, the area of the semiconductor element provided for contacting by the solder material increases, so that manufacturing tolerances can be carried out more generously and, accordingly, reliable and error-free production of the thermoelectric device is ensured.
  • a semiconductor element in the case of a tubular configuration of the module, a semiconductor element has a larger external contact area.
  • the semiconductor elements can accordingly have an outwardly widening shape (in particular a conicity), by means of which such a different contact surface is ensured.
  • annular or annular segment-shaped design of the semiconductor element In particular, the larger contact surface is arranged regularly on the carrier layer overflowed by a gas flow.
  • thermoelectric device in which the first carrier layer is connected to a hot side and is flowed over by an exhaust gas flow and in which the second carrier layer is connected to a cold side and in particular is overflowed by a cooling liquid, the first contact surface form larger than the second contact surface. This is due to the higher heat transfer resistance at the first carrier layer overflowed by the gas flow.
  • the second carrier layer overflowed by the cooling liquid can conduct the heat better, so that the smaller second contact surface can be provided here.
  • a useful volume of the module is defined as the ratio of the sum of the volume of the semiconductor demod in the module to an encapsulated volume of the module and the useful volume is greater than 90%.
  • the encapsulated volume of the module is determined in particular by the outer carrier layers and possibly further walls of the thermoelectric device or of the module. duls defined.
  • the gap between the carrier layers should therefore be filled as completely as possible by the semiconductor elements.
  • the useful volume should therefore be greater than 95%, preferably greater than 98%. This is achieved, in particular, by annular semiconductor elements which have no dividing planes in the circumferential direction and accordingly permit a high useful volume of the thermoelectric device or of the module.
  • the semiconductor elements have electrical insulation on mutually facing side surfaces, wherein the electrical insulation is formed, in particular, by a layer of mica or ceramic.
  • Mica is a group of layered silicates.
  • gaps between the semiconductor elements are filled by mica or ceramic in the form of filling material or in the form of a coating.
  • this insulation can be applied to the semiconductor elements already before the assembly process of the thermoelectric device, so that the semiconductor elements can be arranged with a high packing density on the carrier layers or electrical insulation layers and supported against each other. An air gap between the semiconductor elements known from the prior art, which is difficult to set in terms of manufacturing technology, is therefore not necessary here.
  • the isolation of the semiconductor elements with each other is effected by a separate layer, so that the semiconductor elements in the form of series connection are electrically connected to each other exclusively via the solder materials.
  • the insulation between the side surfaces of the semiconductor elements has an insulation width of less than 50 microns, preferably less than 20 microns and more preferably less than 5 microns. This measure also leads to a compact design of the thermoelectric device and also to a simplified production.
  • the first carrier layer has a first thickness between 20 ⁇ m and 500 ⁇ m, preferably between 40 ⁇ m and 250 ⁇ m. In this case, the first carrier layer is arranged during operation of the thermoelectric device, in particular on the hot side.
  • the first carrier layer has at least one axial compensation element which compensates for a thermal expansion of the module in an axial direction.
  • the axial compensation element can, for. B. be carried out in the manner of a bellows or in accordance with a wave-shaped bulge, so that a compression or expansion in this area is made possible and thus caused due to the temperature difference different thermal expansion between the first carrier layer (hot side) and the second carrier layer (cold side) compensated becomes.
  • the second carrier layer has a second thickness of between 200 ⁇ m and 1.5 mm, in particular between 400 ⁇ m and 1.2 mm.
  • this second thickness which is much greater than the first thickness, the dimensional stability of the thermoelectric device or of the module is ensured.
  • the second carrier layer has a material which has a higher thermal conductivity than the first carrier layer, so that the second carrier layer nevertheless shows a comparable heat dissipation despite the larger second thickness.
  • thermoelectric device a plurality of axial compensation elements are provided at intervals of at most 10 mm in an axial direction.
  • the at least one module has at least one axial compensation element, which Det is converted by at least a plurality of semiconductor elements arranged obliquely in an axial direction, so that a thermal expansion of the module in an axial direction is at least partially converted into a thermal expansion of the module in a radial direction. Due to the inclination of the semiconductor elements in an axial direction, as a result of a different thermal expansion of the first carrier layer compared to the second carrier layer, a relative movement of these carrier layers can be compensated by a change in the skew of the semiconductor elements. As a result, a radial expansion is effected instead of a unilateral change in length of the module.
  • At least a plurality of semiconductor elements are arranged at least obliquely in the axial direction, while the thermoelectric device is out of operation.
  • the semiconductor elements are oriented such that the semiconductor elements are arranged in particular perpendicular to the carrier layers or the axial direction. This radial thermal expansion can lead to a restriction of a layer on the outer carrier layers adjacent, flowed through by a fluid, cross-section, thereby also a control of the fluid volume flow along the carrier layers is possible.
  • thermoelectric generator having a multiplicity of thermoelectric devices and a plurality of fluid-flow channels or flow-over carrier layers can be controlled in a self-regulating manner in particular, such that a uniform distribution of the available thermal power in the fluid flow over all available surfaces of the thermoelectric devices guaranteed or promoted.
  • the compensation of the thermal expansion is effected by materials for the carrier layers, which have different thermal expansion coefficients.
  • the carrier layer of the hot side has a correspondingly low coefficient of thermal expansion and the carrier layer of the cold side has a correspondingly high thermal expansion coefficient.
  • Another particularly preferred embodiment of the thermoelectric device provides that at least a plurality of modules can be connected to each other in an axial direction. This makes it possible to adapt the thermoelectric device to predetermined power requirements. This has particular advantages for the production and provision of thermoelectric devices for the different applications.
  • the modules are connected to each other in particular at least by a solder joint, in particular insulated electrical interconnects are to be provided which enable an electrical series connection of the semiconductor elements of the individual modules.
  • a fluid-tight connection of the individual modules with each other is to be generated, so that in particular corrosive ambient media, such as an exhaust gas, can not penetrate into the areas between two modules.
  • a tubular configuration of the modules is to be preferred.
  • a module may have a filler, which seals the gap between the carrier layers with respect to ambient media or fluids, in particular a cooling circuit or an exhaust gas.
  • the carrier layers can also seal the interspace, in that the first carrier layer and the second carrier layer form a (direct) connection with one another.
  • first carrier layers are connected to first carrier layers and / or second carrier layers are connected to second carrier layers, so that the electrical conductor tracks within each individual module can be connected to the conductor tracks of the adjacent module, without a carrier layer passing through Conductor must be penetrated.
  • a thermoelectric apparatus has a plurality of thermoelectric devices according to the invention, wherein the first carrier layer is connected to a hot side and the second carrier layer is connected to a cold side.
  • a motor vehicle with an internal combustion engine, an exhaust system, a cooling circuit and a plurality of thermoelectric devices according to the invention is provided, wherein the first carrier layer with a hot side and the second carrier layer are connected to a cold side and wherein in the motor vehicle, the exhaust system with the hot side and the cooling circuit is connected to the cold side.
  • thermoelectric generator in which the exhaust gas flows around the outside of the at least one cool flow path.
  • the cool flow path is formed, for example, in the manner of a pipe.
  • the cooling fluid flows through the inside of the tube, wherein the exhaust gas flows around the outside of the tube.
  • thermoelectric generator this can be designed so that the thermoelectric devices are executed with mutually insulated housings and interconnected via a DCDC converter.
  • the individual thermoelectric devices each generate different voltages during operation. This can be reduced, for example, by designing the individual thermoelectric devices with different types of semiconductor elements, so that these are adapted to the exhaust gas temperatures expected in each case in the thermoelectric device, for example, have a corresponding temperature-dependent efficiency. Nevertheless, differences may still occur here, wherein a negative influence of the thermoelectric devices electrically interconnected with one another is avoided by the use of at least one DCDC converter.
  • a DCDC converter is understood in particular as a DC-DC converter. Of course, similar elements can be used which serve the same purpose.
  • thermoelectric generator can also be designed so that the thermoelectric devices are each formed with semiconductor elements of different temperature-dependent efficiency.
  • each thermoelectric device is designed in each case with a (single) type of pairings of semiconductor elements. This pairing is selected in particular such that the semiconductor elements have the highest possible efficiency for the temperatures prevailing during operation of the thermoelectric device.
  • individual or all of the thermoelectric devices may each have a different pair of semiconductor elements, which take into account the respective prevailing temperatures.
  • thermoelectric generator semiconductor elements which have their optimum efficiency in the range above 25O C, while for example in last flowed through parts of the thermoelectric generator semiconductor elements are provided which at about 8O C to 100 C. have their optimal impact area.
  • the overall efficiency of the thermoelectric generator can be improved.
  • thermoelectric generator in which at least one cooler is provided after the thermoelectric devices, that of the cooling fluid is flowed through, is also preferred.
  • the thermoelectric generator is supplemented by a final cooler.
  • the cooler can be designed, for example, analogously to the thermal device, whereby no more semiconductor elements are provided. The arrangement of the hot and cool flow paths can thus be maintained as well as the outer shape of the radiator. If appropriate, it is also possible that the same cooling fluid is used for the cooler and the thermoelectric devices or a common cooling fluid circuit is formed. This preserves the compactness of this exhaust gas treatment unit as well as a reduced number of parts.
  • FIGS. show particularly preferred embodiments of the invention, but this is not limited thereto. They show schematically:
  • thermoelectric apparatus 1 shows a variant of a thermoelectric apparatus in a motor vehicle
  • thermoelectric device 2 shows a variant of a module of a thermoelectric device
  • thermoelectric device 4 shows a further embodiment variant of a module of a thermoelectric device
  • thermoelectric device 6 shows a variant of a thermoelectric device
  • Fig. 7 a detail of an embodiment of a module
  • thermoelectric apparatus 33 shows a variant embodiment of a thermoelectric apparatus 33 in a motor vehicle 34 with an internal combustion engine 35 and an exhaust system 36, in which a second fluid 23, in particular an exhaust gas, flows through the thermoelectric apparatus 33 at an elevated temperature.
  • the thermoelectric apparatus 33 has a plurality of thermoelectric devices 1 with modules 2. These modules 2 are overflowed on a hot side 38 of the second fluid 23 and on a cold side 39 of a first fluid 14, which is associated with a cooling circuit 37.
  • the hot side 38 of the thermoelectric device 1 is bounded by a first carrier layer 3 of the module 2.
  • the cold side 39 is bounded by a second carrier layer 4 of the module 2.
  • semiconductor elements 7 are arranged.
  • the encapsulated volume 19 of a module 2 is shown in FIG. 1, which is bounded or enclosed here by the first carrier layer 3 and the second carrier layer 4.
  • the module 2 shows a detail of an embodiment variant of a module 2 of a thermoelectric device 1.
  • the module 2 is shown with a first carrier layer 3 and a second carrier layer 4, which have between them a gap 5, in which the semiconductor elements 7 alternately as n- and p-doped semiconductor elements are arranged. These semiconductor elements 7 are alternately electrically connected to one another by solder material 10, so that a series connection of the n- and p-doped semiconductor elements results.
  • the solder material 10 has a solder thickness 12 here.
  • the solder material 10 is opposite the first carrier layer 3 and second carrier layer 4 by an electrical Iso- spaced lationstik 6, which has an insulation layer thickness 26.
  • the first carrier layer 3 has a first thickness 27 which, in particular, is made smaller than a second thickness 28 of the second carrier layer 4.
  • an insulation 21 with an insulation width 22 is arranged which transitions the electrons flowing through the semiconductor elements 7 should prevent and therefore ensures the series connection of the semiconductor elements 7 only via the conductor tracks 42 forming solder 10.
  • the module 2 has a total area 25 which can be coated with semiconductor elements 7 and which is delimited by the outermost semiconductor elements 7.
  • the coated surface 24 is the sum of the surface portions of the module 2, which is coated with semiconductor dementer 7.
  • This is here cuboid or rod-shaped and has a first contact surface 15 and a second contact surface 16, via which the semiconductor element 7 is connected to the first carrier layer or second carrier layer via the electrical insulation layer , Furthermore, the semiconductor element 7 has a current transition surface 11 which is formed by the contacting of the semiconductor element 7 with solder material 10, by means of which the individual semiconductor elements within the module are connected to one another in a series connection.
  • the semiconductor element 7 also has side surfaces 20 which, together with the first and second contact surfaces 15, 16, bound the volume 18 of the semiconductor element 7.
  • the semiconductor element 7 also has a height 13.
  • FIG. 4 shows a further embodiment variant of a module 2 of a thermoelectric device 1, wherein here a tubular embodiment of the thermoelectric device 1 or the module 2 is shown.
  • the tubular module 2 is flowed through by an inner channel 41, in particular by a second fluid 23.
  • the inner channel 41 forms the hot side 38 of the ther- Moelektrischen device 1.
  • the cold side 39 of the thermoelectric device 1 is overflowed by a first fluid 14, so that forms a temperature potential across the semiconductor elements 7.
  • the inner circumference surface of the tube and thus the inner channel 41 is formed by the first carrier layer 3, while the outer peripheral surface of the module 2 is formed here by the second carrier layer 4.
  • the gap 5 is sealed by a filler 40.
  • FIG. 5 shows a further embodiment variant of a semiconductor element 7.
  • an annular semiconductor element 7 is shown with an outer circumferential surface 8 and an inner peripheral surface 9.
  • This semiconductor element 7 is particularly suitable for use in a tubular thermoelectric device, eg. B.
  • the semiconductor element 7 is connected via a first contact surface 15 with the first carrier layer and with a second contact surface 16 with a second carrier layer.
  • the semiconductor element 7 further has side surfaces 20 and a height 13, which forms between the inner circumferential surface 9 and the outer peripheral surface 8.
  • the annular semiconductor element 7 has a current transfer surface 11 on its outer peripheral surface 15 and a further current transfer surface on its inner peripheral surface 16, which is formed by the contact with solder material 10.
  • FIG. 6 shows a variant embodiment of a thermoelectric device 1, wherein a plurality of modules 2 are connected to a thermoelectric device 1 by solder connections 43.
  • a plurality of modules 2 are connected to a thermoelectric device 1 by solder connections 43.
  • several modules 2 are connected to a thermoelectric device 1, so that the thermoelectric device 1 to a variety of requirements for the provision of electrical energy or conversion of existing thermal energy can be adapted to electrical energy.
  • the individual modules 2 are electrically connected to each other via connecting means 45, so that a series connection of the semiconductor elements is ensured even via a plurality of modules 2 within the thermoelectric device 1.
  • Fig. 7 shows a detail of a preferred embodiment of a module 2, wherein here with respect to an axial direction 31 inclined semiconductor elements 7 are provided which form an axial Kompensationsele- element 29, so that a thermal expansion 30 in the axial direction 31 by changing the inclination of the Semiconductor elements 7 can be at least partially converted into a thermal expansion 30 in the radial direction 44. Furthermore, axial compensation elements 29 are provided on the first carrier layer 3 (hot side 38), which are arranged at a distance 32 from each other.
  • FIG. 8 shows an embodiment variant of a multi-stage generator in FIG. 33.
  • This is embodied here with three thermoelectric devices 1 arranged directly behind one another in the flow direction 52 of the exhaust gas.
  • the electrothermal devices form a hot flow path 46 for the exhaust gas interspersed with a plurality of tube-like cool flow paths 47 through which the cooling fluid passes, in the manner of a cross-flow heat exchanger.
  • the individual thermoelectric devices 1 are connected in series, wherein the DCDC converter 48 are also provided here.
  • the thermoelectric devices 1 downstream of a cooler 49 which is formed substantially identical to the thermoelectric devices 1, but here the complex structure of the cool flow paths 47 is not realized. Nevertheless, a particularly compact design can be realized.
  • the hot flow path 46 can be designed, for example, with the dimensions 90 mm x 50 mm.
  • the cool flow paths 47 may be in the manner of double-walled tubes with an inner diameter of 6 mm and an external diameter of 14 mm. For example, when the exhaust gas at a temperature of 500 C and an outlet at a temperature of 8O C, about 0.1 V can be generated in the thermocouple, so that a voltage of 12 to 15 volts per thermoelectric device 1 is achieved.
  • the individual thermoelectric devices 1 are electrically isolated from each other.
  • FIG. 9 now shows a detail of the fixing of a semiconductor element 7, for example on a cold side 4, or the inner wall of a tubular cooling flow path designed in a tubular manner.
  • solder material 10 is provided, on which the flexible medium 50, for example a metal foam or a sintered material, is fixed.
  • the flexible medium 50 is deformable, so that in particular in the axial and / or radial direction of the flow path compensating movements are possible.
  • the "shape stiffness" or the deformation behavior is realized by a pressure medium 51 which can be introduced (specifically) into the flexible medium 50.
  • This pressure medium 51 is, for example, an oil which has no electrical conductivity It is further preferred that the flexible medium 50 and the pressure medium 51 have good heat conductivities, so that a heat transfer is ensured from the cold side 4 to the semiconductor element 7.
  • the semiconductor element 7 is also flexible on this via a diffusion barrier 53 and solder material 10 If radial stresses occur during operation, the flexible medium 50 can be compressed, with the pressure medium exiting, for example, into a compensating volume When the device cools down again, the shrinkage can be compensated by returning the pressure medium 51 back to the medium flexible medium 50 enters and thus an expansion of the flexible medium 50 according to h at. LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • thermoelectric device 1 thermoelectric device

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Abstract

Thermoelektrischer Generator (33) aufweisend eine Mehrzahl thermoelektrischer Vorrichtungen (1), die von einem Abgas eines Verbrennungskraftmotors nacheinander durchströmbar angeordnet sind, wobei jede thermoelektrische Vorrichtung (1) mindestens einen heißen Strömungspfad für das Abgas und mindestens einen kühlen Strömungspfad für ein Kühlfluid bildet, zwischen denen eine Mehrzahl von p- und n-dotierten Halbleiterelementen (7) gezielt verschaltet und isoliert angeordnet sind, und bei dem bei wenigstens einer thermoelektrischen Vorrichtung (1) wenigstens ein Teil der Halbleiterelemente (7) auf einem flexiblen Medium (50) fixiert sind.

Description

Thermoelektrische Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, z. B. aus dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, mittels eines Generators. Damit ist insbesondere ein Generator zur Umwandlung thermischer Energie eines Abgases in elektrische Energie gemeint, also ein sogenannter thermoelektrischer Generator.
Das Abgas aus einem Motor eines Kraftfahrzeuges besitzt thermische Energie, welche mittels eines thermoelektrischen Generators bzw. Apparates in elektrische Energie umgewandelt werden kann, um bspw. eine Batterie oder einen anderen Energiespeicher zu füllen oder elektrischen Verbrauchern die benötigte Energie direkt zuzuführen. Damit wird das Kraftfahrzeug mit einem besseren energetischen Wirkungsgrad betrieben, und es steht für den Betrieb des Kraftfahrzeuges Energie in größerem Umfang zur Verfügung.
Ein solcher thermoelektrischer Generator weist zumindest eine Mehrzahl thermoelektrischer Wandlerelemente auf. Thermoelektrische 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 ther- moelektrischer Energie genutzt. Der „Peltier-Effekt" ist die Umkehrung des „Seebeck-Effektes" und ein Phänomen, welches mit Wärmeadsorption einhergeht und in Relation zu einem Stromfluss durch unterschiedliche Materialien verursacht wird. Der „Peltier-Effekt" ist bspw. zum thermoelektrischen Kühlen bereits vorgeschlagen worden.
Solche thermoelektrischen Wandlerelemente weisen bevorzugt eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen auf, die zwischen einer sogenannten Heißseite und einer sogenannten Kaltseite positioniert sind. Thermoelektrische Elemente umfassen z. B. wenigstens zwei Halbleiterquader (p- und n-dotiert), die auf ihrer Ober- und Unterseite (hin zur Heißseite bzw. Kaltseite) wechselseitig mit elektrisch leitenden Brücken versehen sind. Keramikplatten bzw. Keramikbeschichtungen und/oder ähnliche Materialien dienen zur Isolierung der Metallbrücken und sind somit bevorzugt zwischen den Metallbrücken angeordnet. Wird ein Temperaturgefälle beidseits der Halbleiterquader bereitgestellt, so bildet sich ein Spannungspotential aus. Auf der Heißseite des ersten Halbleiterquaders wird dabei Wärme aufgenommen, wobei die Elektronen der einen Seite auf das energetisch höherliegende Leitungsband des folgenden Quaders gelangen. Auf der Kaltseite können die Elektronen nun Energie freisetzen und auf den folgenden Halbleiterquader mit niedrigerem Energieniveau gelangen. Somit kann sich bei einem entsprechenden Temperaturgefälle ein elektrischer Stromfluss einstellen.
Es ist bereits versucht worden, entsprechende thermoelektrische Generatoren für die Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftfahrzeugen, bereitzustellen. Diese waren jedoch meist sehr teuer in der Herstellung und gekennzeichnet durch einen relativ geringen Wir- kungsgrad. Damit konnte noch keine Serientauglichkeit erlangt werden. Außerdem konnte festgestellt werden, dass die bekannten thermoelektri- schen Generatoren meist sehr großen Bauraum verlangen und deshalb nur schwer in die bestehenden Abgasanlagen integriert werden können.
Hiervon ausgehend, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein thermoelektrischer Generator angegeben werden, die für vielseitige Einsatzfälle geeignet ist und die einen verbesserten Wirkungsgrad hinsichtlich der Umwandlung von bereitge- stellter thermischer Energie in elektrische Energie ermöglicht. Dabei soll der thermoelektrische Generator geeignet sein, möglichst flexibel an unterschiedliche Leistungsanforderungen angepasst zu werden. Dabei soll der thermoelektrische Generator geeignet sein, möglichst flexibel an un- terschiedliche Leistungsanforderungen angepasst zu werden. Daneben soll auch noch eine besonders geeignete Möglichkeit zur Fixierung bzw. Verschaltung der Halbleiterelemente in eine thermoelektrische Vorrichtung angegeben werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie die Integration dieser Vorrichtung in übergeordnete Baueinheiten sind in den abhängig formulierten Patentansprü- chen 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.
Ein erfindungsgemäßer thermoelektrischer Generator weist eine Mehrzahl thermoelektrischer Vorrichtungen auf, die von einem Abgas eines Verbrennungsmotors nacheinander durchströmbar angeordnet sind, wo- bei jede thermoelektrische Vorrichtung mindestens einen heißen Strömungspfad für das Abgas und mindestens einen kühlen Strömungspfad für ein Kühlfluid bildet, zwischen denen eine Mehrzahl von p- und n- dotierten Halbleiterelementen gezielt verschaltet und isoliert angeordnet ist, und bei dem bei wenigstens einer thermoelektrischen Vorrichtung wenigstens ein Teil der Halbleiterelemente auf einem flexiblen Medium fixiert sind.
Unter einem thermoelektrischen Generator wird insbesondere eine Gesamtanlage in einem Kraftfahrzeug verstanden, welche eine Mehrzahl von thermoelektrischen Vorrichtungen aufweist. Die thermoelektrischen Vorrichtungen sind dabei insbesondere abgrenzbare Baueinheiten, die von dem Abgas eines Verbrennungsmotors nacheinander vom Abgas durchströmt werden. So sind also beispielsweise mindestens zwei solcher thermoelektrischen Vorrichtungen vorgesehen, möglich ist die Ausgestaltung eines thermoelektrischen Generators aber insbesondere auch mit 3, 4 oder 5 solcher thermoelektrischer Vorrichtungen. Jede dieser thermoelektrischen Vorrichtungen bildet eine Art Wärmetauscher mit einem oder mehreren heißen Strömungspfaden, die das Abgas durch die ther- moelektrische Vorrichtung führen. So sind ein oder mehrere Kühlerströmungspfade vorgesehen, durch die das Kühlfluid durch die thermoelekt- rische Vorrichtung hindurchgeführt wird. Die unterschiedlichen Strömungspfade sind dabei so angeordnet, dass ein Wärmeaustausch zwi- sehen Abgas und Kühlfluid über eine Wärmeaustauschfläche ermöglicht ist. Dazu können die Strömungspfade im Wesentlichen parallel und/oder senkrecht zueinander positioniert sein. Bevorzugt ist dabei beispielsweise, dass ein einzelner großer Strömungspfad vorgesehen ist, der von einer Vielzahl kleineren, zum Beispiel rohrähnlichen, kühlen Strömungspfaden durchsetzt ist. So ist auch gewährleistet, dass das Abgas die kühlen Strömungspfade außen umströmt. In diesem Grenzbereich zwischen heißem Strömungspfad und kaltem Strömungspfad ist nun eine Mehrzahl von p- und n-dotierten Halbleiterelementen vorgesehen. Diese sind teilweise elektrisch so isoliert angeordnet, dass eine gezielte Verschaltung der p- und n-dotierten Halbleiterelemente realisiert ist. Dies wird nachfolgend noch im Detail erläutert. Bei dem hier vorgeschlagenen thermoelektrischen Generator wird davon Abstand genommen, die gesamte Energie des Abgases über eine einzelne Baueinheit einer thermoelektrischen Vorrichtung aufzunehmen. Durch den Einsatz mehrerer thermoelektrischer Vorrichtungen wird ein mehrstufiger thermoelektrischer Generator gebildet, wobei in jeder Stufe eine gezielte Ausnutzung der dort jeweils existierenden thermischen Bedingungen durchgeführt wird. Die einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen sind beispielsweise als Baueinheit gegeneinander elektrisch isoliert, wobei der darin jeweils erzeugte Strom abgeführt wird. Die einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen sind nun so verschaltet, dass im Ergebnis eine Spannung von 12 bis 15 V im Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglicht ist. So können die einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen beispielsweise im Wesentlichen bezüg-
- A - lieh des Aufbaus gleichartig gestaltet werden. Bevorzugt ist dabei, dass die thermoelektrischen Vorrichtungen direkt hintereinander angeordnet sind, also insbesondere keine weitere Komponenten zwischen den einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen (mit Ausnahme gegebenenfalls einer Abgasleitung) angeordnet sind.
Eine thermoelektrische Vorrichtung weist insbesondere zumindest Folgendes auf: wenigstens ein Modul mit einer ersten Trägerschicht und einer zwei- ten Träger schicht, einen Zwischenraum zwischen der ersten Trägerschicht und der zweiten Trägerschicht, eine elektrische Isolationsschicht auf der ersten Trägerschicht und auf der zweiten Trägerschicht hin zum Zwischenraum, - eine Mehrzahl von p- und n-dotierten Halbleiterelementen, die im Zwischenraum zwischen den Isolationsschichten abwechselnd angeordnet und wechselweise elektrisch miteinander verbunden sind.
Die hier vorgeschlagene thermoelektrische Vorrichtung ist insbesondere lagenweise bzw. schichtartig mit insbesondere einer Mehrzahl von (gleichen) Modulen zu einem thermoelektrischen Generator zusammengesetzt. Insbesondere bilden mehrere miteinander verbundene Module eine thermoelektrische Vorrichtung. Dabei ist die thermoelektrische Vorrichtung insbesondere in einem Gehäuse angeordnet, in dem auch mehrere thermoelektrische Vorrichtungen zusammen als Baueinheit zur Bildung eines thermoelektrischen Generators angeordnet sein können. Die thermoelektrische Vorrichtung weist zusätzlich zu dem Modul insbesondere Abdichtungsmittel auf, die den Zwischenraum nach außen abschließen, sowie Anschlusselemente zur Erzeugung eines elektrischen Stromkreises, der den im Modul erzeugten elektrischen Strom an einen Speicher oder Verbraucher eines Kraftfahrzeuges leiten kann. Die Halbleiterelemente sind insbesondere nebeneinander zwischen zwei Trägerschichten angeordnet, die insbesondere die äußere Begrenzung der thermoelektrischen Vorrichtung bilden. Die äußeren Trägerschichten bilden dabei in erster Linie eine Wärmeübergangsschicht, die einen Wärme- Übergang von der thermoelektrischen Vorrichtung zu den die thermo- elektrische Vorrichtung umströmenden Fluiden ermöglicht. Dabei ist die erste/zweite Trägerschicht mit einer sogenannten Heißseite, insbesondere einem Fluid mit erhöhter Temperatur, und die andere (zweite/erste) Trägerschicht mit einer Kaltseite, insbesondere mit einem Fluid niedriger Temperatur, in wärmeleitender Verbindung. Dadurch wird über die ther- moelektrische Vorrichtung ein Temperaturpotential zwischen den Trägerschichten ausgebildet, das in Folge des „Seebeck-Effektes" einen elektrischen Strom durch die wechselweise miteinander verbundenen Halbleiterelemente erzeugt. Die Trägerschichten sind insbesondere wenigstens zum Teil aus Stahl und/oder Aluminium aufgebaut.
Zwischen den Träger schichten ist ein Zwischenraum vorgesehen, in dem die Halbleiterelemente angeordnet sind. Der Zwischenraum weist damit insbesondere nur eine Ausdehnung auf, die im Wesentlichen nur durch eine Höhe und eine Anzahl sowie durch die Anordnung der Halbleiter- elemente vorgegeben ist.
Zur Realisierung eines gezielten Stromflusses durch die p- und n- dotierten Halbleiterelemente weisen die Trägerschichten zumindest teil- weise eine elektrische Isolationsschicht auf, auf der die Halbleiterelemente fixiert und miteinander elektrisch verbunden sind. Als Isolationsschicht kommt insbesondere eine Aluminiumoxidschicht in Betracht. Bei der elektrischen Isolationsschicht ist darauf zu achten, dass diese den Wärmeübergang von einer Außenseite der Trägerschicht hin zu den HaIb- leiterelementen nicht übermäßig behindert. Das kann insbesondere auch dadurch erreicht werden, dass die elektrische Isolationsschicht tatsächlich nur im Bereich der Kontaktfläche der Halbleiterelemente mit der Trägerschicht vorgesehen ist. Jedenfalls ist eine solche elektrische Isolati- onsschicht so dicht auszuführen, dass sie für das elektrische Verbindungsmittel der Halbleiterelemente untereinander nicht durchdringbar ist, und die elektrische Isolationsschicht sicher elektrisch leitende Verbindungen hin zu der Trägerschicht und/oder zu benachbarten Strom- pfaden verhindert. Bei den ersten und zweiten Trägerschichten sind insbesondere unterschiedliche elektrische Isolationsschichten möglich.
Als leitfähige Materialien für die p-dotierten und n-dotierten Halbleiterelemente kann beispielsweise Wismut-Tellurit (Bi2Te3) eingesetzt werden. Darüber hinaus könnten folgende Materialien [bis zu folgenden maximalen Temperaturen in C] eingesetzt werden:
n-Typ: Bi2Te3 [ca. 250 C];
PbTe [ca. 500 C]; BaO,3Co3,95NiO,05Sbl2 [ca. 600 C];
Bay(Co,Ni)4Sbl2 [ca. 600 C];
CoSb3 [ca. 700 C];
Ba8Gal6Ge30 [ca. 850 C];
La2Te3 [ca. HOO C]; SiGe [ca. 1000 C];
Mg2(Si,Sn) [ca. 700 C]; p-Typ: (Bi,Sb)2TE3 [ca. 200 C];
Zn4Sb3 [ca. 380 C];
TAGS [ca. 600 C]; PbTe [ca. 500 C];
SnTe [ca. 600 C];
CeFe4Sbl2 [ca. 700 C];
Ybl4MnSbl l [ca. 1000 C];
SiGe [ca. 1000 C]; Mg2(Si,Sb) [ca. 600 C].
Bei dieser thermoelektrischen Vorrichtung werden also die zwei Trägerschichten zur Begrenzung des Zwischenraums genutzt und für einen Wärmeübergang hin zu den Halbleiterelementen. Die Halbleiterelemente können dabei bspw. nach Art von kleinen Quadern und/oder kleinen länglichen Stäbchen aus unterschiedlich elektrisch leitfähigem Material bereitgestellt sein. Jeweils zwei unterschiedliche Halbleiterelemente (p- dotiert und n-dotiert) sind so miteinander elektrisch verbunden, dass sie zusammen eine Reihenschaltung ergeben. Eine der beiden Trägerschichten nimmt den einfließenden Wärmestrom auf (Heißseite), während die andere Trägerschicht den ausfließenden Wärmestrom abgibt (Kaltseite). Im Hinblick auf das Design der Anordnung bzw. Verschaltung der einzel- nen Halbleiterelemente können Art und/oder Gestalt und/oder Position der Halbleiterelemente an den Bauraum, den Wärmefluss, die Stromführung etc. angepasst sein, wobei sie sich insbesondere auch hierbei unterscheiden können. Insbesondere weist die thermoelektrische Vorrichtung eine oder mehrere Gruppen von miteinander in Reihe geschalteten HaIb- leiterelementen auf, wobei die Gruppen jeweils voneinander unabhängige Stromkreise aufweisen oder miteinander über eine elektrische Parallelschaltung verbunden sind.
Erfindungsgemäß ist der thermoelektrische Generator, wenn bei wenigs- tens einer thermoelektrischen Vorrichtung wenigstens ein Teil der Halbleiterelemente auf einem flexiblen Medium fixiert sind. Beim Betrieb eines solchen thermoelektrischen Generators entsteht ein signifikantes Temperaturgefälle zwischen den heißen Strömungspfaden und den kühlen Strömungspfaden, was für die Erzeugung von Energie über die Halbleiter- demente sehr vorteilhaft ist. Gleichzeitig ist aber auch zu berücksichtigen, dass der Betrieb des Verbrennungsmotors eine dynamische, stark variierende Temperaturverteilung in dem thermoelektrischen Generator zur Folge hat. Auch während der Startphase bzw. nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors werden signifikante Temperaturen und Unter- schiede erreicht. Daraus resultiert, dass die Bauteile des thermoelektrischen Generators der thermoelektrischen Vorrichtung ein teilweise sehr verschiedenes thermisches Ausdehnungsverhalten aufzeigen. Dies kann dazu führen, dass insbesondere die Halbleiterelemente Spannungen aus- gesetzt werden und damit die Gefahr besteht, dass diese relativ spröden Materialien beschädigt werden. Um dies zu verhindern wird vorgeschlagen, dass bezüglich wenigstens eines Teils der Halbleiterelemente ein flexibles Medium zur Fixierung vorgesehen ist. Als flexibles Medium können beispielsweise federnde und/oder komprimierbare Materialien eingesetzt werden. So können beispielsweise Schäume, Vliese oder ähnliche Medien eingesetzt werden. Weiterhin ist bevorzugt, dass dieses flexible Medium selbst wärmeleitend ausgeführt ist, so dass eine gute Wärmeleitung von der Heißseite bzw. der Kaltseite hin zu den Halbleiterelementen gewähr- leistet ist. Weiterhin kann das so flexible Medium auch so gestaltet sein, dass konkrete Strompfade für eine Verschaltung der Halbleiterelemente eingearbeitet sind. Hierzu können separate Stromleiter und/oder geeignete Isolationsmaterialien eingesetzt werden. Das flexible Medium ist dabei so gewählt, dass während des Betriebs eine elastische Verformung des flexiblen Mediums stattfindet, so dass die unterschiedlichen thermischen Dehnungen der Materialien nun kompensiert werden und im Wesentlichen ein konstanter Druck auf die Halbleiterelemente eingestellt ist.
Weiter ist bevorzugt, dass die Halbleiterelemente wenigstens teilweise mit einem Druckmedium beaufschlagbar sind. Das Druckmedium kann insbesondere dazu genutzt werden, die während des Betriebes erfolgte Kompression an flexiblen Medien wieder rückgängig zu machen. Als Druckmedium kommt insbesondere eine Flüssigkeit in Betracht, beispielsweise ein Öl. Das Druckmedium weist insbesondere auch eine hohe Wärmeleit- fähigkeit auf, hat aber bevorzugt keine elektrische Leitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit des Druckmediums gewährleistet wiederum einen Wärmetransport von der Eisseite bzw. Kaltseite hin zu den Halbleiterelementen, die Eigenschaft als elektrischer Isolator stellt gleichzeitig sicher, dass keine unerwünschten elektrischen Verbindungen von Halbleiterele- menten realisiert werden. Das Druckmedium kann bei einer Kompression des flexiblen Mediums in ein entsprechendes Ausgleichsvolumen strömen und wird durch die Bereitstellung eines entsprechenden Drucks, zum Beispiel über eine Pumpe oder eines entsprechenden Druckbehälters, wieder in das flexible Medium eingeführt, wenn die thermischen Spannungen abgebaut werden.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass das hier offenbar- te Konzept der Fixierung der Halbleiterelemente auf einem flexiblen Medium, gegebenenfalls mit Unterstützung von einem Druckmedium, auch unabhängig vom Bau des thermoelektrischen Generators eingesetzt werden kann, also beispielsweise für eine beliebige andere, zum Beispiel hier vorgestellte „Variante" der thermoelektrischen Vorrichtung. So kann die Fixierung eines Halbleiterelements beispielsweise derart stattfinden, dass das Halbleiterelement zunächst auf einer Diffusionssperre angeordnet ist, unter der sich Lotmaterial (zum Beispiel auch als Stromleiter) befindet. Mittels des Lotes ist das Halbleiterelement an dem flexiblen Druckmedium (zum Beispiel einem Schaummaterial oder dergleichen) fixiert. Dieses flexible Medium wird über Lotmaterial an der Wand des Strömungspfades (und zum Beispiel einem Innenrohr und/oder Außenrohr) fixiert. Das flexible Medium ist dabei in der Lage, Differenz dehnungen in axialer und/oder radialer Richtung bezüglich dieses Verbundes zu kompensieren, wobei die Rückstellkraft bzw. der Maximaldruck dieses Verbundes über ein entsprechendes Druckmedium (zum Beispiel ein Öl) eingestellt wird. Dieser Druck ist während des Betriebs der thermoelektrischen Vorrichtung bevorzugt im Wesentlichen gleich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der thermoelektri- sehen Vorrichtung ist zumindest ein Teil der Halbleiterelemente kreisringförmig ausgestaltet und jeweils mit einer äußeren Umfangsf lache und einer inneren Umfangsfläche mit der elektrischen Isolations Schicht verbunden. Der Begriff „kreisringförmig,, meint damit, dass das Halbleiterelement zumindest einen Abschnitt eines Kreisrings bildet. Derartig ge- formte Halbleiterelemente sind insbesondere für zumindest teilweise rohrförmige thermoelektrische Vorrichtungen vorzuschlagen. Dabei bilden die Trägerschichten die äußere Umfangsfläche und die innere Umfangsfläche eines Rohres, so dass eine Doppelrohrwand gebildet ist, in dessen Zwischenraum die Halbleiterelemente angeordnet sind. Eine derart aufgebaute thermoelektrische Vorrichtung wird von einem Fluid durch einen von der inneren Umfang sfläche des Rohres gebildeten Kanal durchströmt und von einem anderen Fluid auf der äußeren Umfangsflä- che überströmt, so dass ein Temperaturpotential über die Doppelrohrwand erzeugbar ist. Die Halbleiterelemente sind innerhalb der Doppelrohrwand angeordnet und insbesondere umlaufend geschlossen in Form eines Kreisringes ausgeführt. Die Halbleiterelemente können insbesondere auch die Form eines Kreisringsegmentes aufweisen. Auch hier sind die Halbleiterelemente nebeneinander bzw. hintereinander entlang einer axialen Richtung des Rohres angeordnet. Eine kreisringförmige bzw. kreis- ringsegmentförmige Ausgestaltung der Halbleiterelemente ist bevorzugt, da zwischen nebeneinander angeordneten zylindrischen oder quaderförmigen Halbleiterelementen auf einer gebogenen Fläche Spalte zwischen den Halbleiterelementen erzeugt werden, die in radialer Richtung sich erweitern und damit eine geringere Volumenausnutzung des Zwischenraums gegeben ist. Die Kreisringform kann dabei insbesondere einer Kreisform entsprechen, es sind aber ovale Ausführungsformen möglich. Im Hinblick auf die Verschaltung hier beispielsweise auch möglich, dass die Halbleiterelemente eine 180 -Kreisringform aufweisen, die dann versetzt/abwechselnd miteinander elektrisch verbunden sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der thermoelektrischen Vorrichtung sind die p- und n-dotierten Halbleiterelemente auf der elektrischen Isolationsschicht durch ein Lotmaterial miteinander elektrisch verbunden, wobei zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: a) die p- und n-dotierten Halbleiterelemente weisen jeweils gleich große Stromübergangsflächen auf; b) das Lotmaterial weist eine Lotdicke auf und das Verhältnis von einer Höhe der Halbleiterelemente zu der Lotdicke ist größer als 5 : 1; c) das Lotmaterial ist ein Element aus der Gruppe Aktivlot, Silberlot. Bevorzugt ist dabei, dass die zur Fixierung der Halbleiterelemente dienenden Lötpunkte bzw. Lötflächen die Kontaktfläche der Halbleiterelemente mit der Isolationsschicht nicht überschreitet. Das Lotmaterial wird bevorzugt dadurch aufgebracht, dass auf die elektrische Is olations Schicht an den gewünschten Stellen ein Haftmittel aufgedruckt wird, um die Trägerschichten dann mit pulverförmigem Lotmaterial in Kontakt zu bringen, welches an diesen vorgegebenen Haftmittelstellen haften bleibt. Die Körnung des Lotmaterials ist dabei so zu wählen, dass genau soviel Lotmaterial zur Verfügung gestellt wird, dass die gewünschte durch das Lotmaterial gebildete Kontaktfläche ausgebildet wird. Dabei weisen die Halbleiterelemente auf jeder ihrer Kontaktflächen gleich große Stromübergangsflächen auf, welche durch die mit Lotmaterial versehenen Bereiche der Kontaktflächen des Halbleiterelementes definiert sind. Dadurch werden möglichst identische Übergangswiderstände zwischen den Halbleiterelementen und den als Leiterbahn fungierenden Lotmaterialien erreicht. Insbesondere bei kreisringförmig oder kreisringsegmentförmig ausgestalteten Halbleiterelementen sowie bei Halbleiterelementen mit unterschiedlich großen Kontaktflächen ist vorgesehen, gleich große Stromübergangsflächen vorzusehen. Dabei ist die äußere Umfangsfläche des Halbleiter demente s regelmäßig größer als die innere Umfangsfläche. Dementsprechend können die äußeren Stromübergangsflächen schmaler ausgeführt sein gegenüber den Stromübergangsflächen, die an der inneren Umfangsfläche der Halbleiterelemente angeordnet sind. Dies ist insbesondere vorteilhaft für den Herstellungsprozess der thermoelektri- sehen Vorrichtung, bei der die Positionierung der Leiterbahnen auf der einen Trägerschicht mit den Leiterbahnen auf der anderen Trägerschicht derart abgestimmt sind, dass eine wechselweise elektrische Verbindung der Halbleiterelemente erreicht wird, so dass eine Reihenschaltung durch die thermoelektrische Vorrichtung erzeugbar ist. Die somit mögliche Re- duzierung der Breite der Stromübergangsfläche ermöglicht daher die Aufweitung der Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Leiterbahnen durch das Aufbringen von Lotmaterial und bei der Montage der einzelnen Komponenten. Somit können Herstellungsfehler und Herstel- lungskosten in der Produktion der vorgeschlagenen thermoelektrischen Vorrichtung in deutlichem Maße reduziert werden.
Die eingesetzten Halbleiterelemente weisen bevorzugt eine Höhe von 1 bis 5 mm auf. Dies führt zu einer besonders kompakten Ausgestaltung der thermoelektrischen Vorrichtung und gewährleistet auch eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen den Trägerschichten über den Zwischenraum hinweg. Regelmäßig werden alle Halbleiterelemente die gleiche Höhe aufweisen. Dabei beträgt das Verhältnis der Höhe der HaIb- leiterelemente zu der Lotdicke insbesondere mehr als 10 zu 1, bevorzugt mehr als 20 zu 1 und besonders bevorzugt mehr als 50 zu 1. Durch die Begrenzung der Lotdicke wird ebenfalls eine kompakte Bauform der thermoelektrischen Vorrichtung gefördert.
Bevorzugt ist das Lotmaterial aus der Gruppe Aktivlot, Silberlot und insbesondere aus den Lotmaterialien gemäß der Europäischen Norm EN 1044 : 1999 auszuwählen: AG301, AG302, AG303, AG304, AG3O5, AG306, AG307, AG308, AG309, AG351, AG401, AG402, AG403, AG501, AG5O2, AG5O3, AGlOl, AG102, AG103, AG104, AG105, AG106, AG107, AG108, AG201, AG202, AG203, AG204, AG2O5, AG206, AG207, AG208. Ggf. können unter Berücksichtigung des Anwendungsfalls selbstverständlich auch andere auf die Halbleitermaterialien abgestimmte, hochtemperaturbeständige Lote eingesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der thermoelektrischen Vorrichtung sind eine erste Kontaktfläche zwischen der ersten Trägerschicht und dem Halbleiterelement und eine zweite Kontaktfläche zwischen der zweiten Trägerschicht und dem Halbleiterelement über die elektrische Isolationsschicht unterschiedlich groß und weisen ein Verhältnis der ersten Kontaktfläche zu der zweiten Kontaktfläche von bis zu 1 : 3 auf. Dabei sind die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche jeweils definiert als die Fläche des Halbleiterelementes, die mit der ersten bzw. zweiten Trägerschicht über die elektrische Isolationsschicht oder über das Lotmaterial verbunden ist. Durch die unterschiedliche Ausführung der ersten und zweiten Kontaktfläche wird ebenfalls eine höhere Produktivität der Fertigung der thermoelektrischen Vorrichtung ermöglicht. Hierdurch erhöht sich die für die Kontaktierung durch das Lotmaterial vorge- sehene Fläche des Halbleiterelementes, so dass Fertigungstoleranzen großzügiger ausgeführt werden können und dementsprechend eine sichere und fehlerfreie Produktion der thermoelektrischen Vorrichtung gewährleistet ist. Insbesondere weist dabei bei einer rohrförmigen Ausgestaltung des Moduls ein Halbleiterelement eine größere äußere Kontaktflä- che auf. Die Halbleiterelemente können dementsprechend eine sich nach außen erweiternde Form (insbesondere eine Konizität) aufweisen, durch die eine derartig unterschiedliche Kontaktfläche gewährleistet ist. Weiterhin kann durch die kreisringförmige bzw. kreisringsegmentförmige Ausbildung des Halbleiterelementes eine derartige Bedingung erfüllt werden. Insbesondere ist die größere Kontaktfläche regelmäßig an der von einem Gasstrom überströmten Trägerschicht angeordnet. Bei der Anordnung der thermoelektrischen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug, bei der die erste Trägerschicht mit einer Heißseite verbunden ist und damit von einem Abgasstrom überströmt wird und bei der die zweite Trägerschicht mit einer Kaltseite verbunden ist und insbesondere von einer Kühlflüssigkeit überströmt wird, ist die erste Kontaktfläche größer als die zweite Kontaktfläche auszubilden. Dies ist durch den höheren Wärmeübergangswiderstand an der von dem Gasstrom überströmten ersten Trägerschicht begründet. Die von der Kühlflüssigkeit überströmte zweite Trä- gerschicht kann die Wärme besser leiten, so dass hier die kleinere zweite Kontaktfläche vorgesehen werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Nutzvolumen des Moduls als Verhältnis von der Summe von Volumen der Halbleiter- demente in dem Modul zu einem gekapselten Volumen des Moduls definiert und das Nutzvolumen größer als 90 %. Das gekapselte Volumen des Moduls wird insbesondere durch die äußeren Trägerschichten und ggf. weiteren Wandungen der thermoelektrischen Vorrichtung bzw. des Mo- duls definiert. Bevorzugt sollte der Zwischenraum zwischen den Trägerschichten daher möglichst vollständig durch die Halbleiterelemente ausgefüllt sein. Das Nutzvolumen sollte daher insbesondere größer 95 % bevorzugt größer 98 % sein. Dies wird insbesondere durch ringförmige HaIb- leiterelemente erreicht, die in Umfang srichtung keine Trennebenen aufweisen und dementsprechend ein hohes Nutzvolumen der thermoelektri- schen Vorrichtung bzw. des Moduls ermöglichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der thermoelektrischen Vorrichtung weisen die Halbleiterelemente an einander zugewandten Seitenflächen eine elektrische Isolierung auf, wobei die elektrische Isolierung insbesondere durch eine Schicht aus Glimmer oder Keramik gebildet wird. Als Glimmer ist eine Gruppe von Schichtsilicaten bezeichnet. Dabei werden Spalte zwischen den Halbleiterelementen durch Glimmer oder Keramik in Form von Füllmaterial oder in Form einer Beschichtung ausgefüllt. Bevorzugt kann diese Isolierung bereits vor dem Montageprozess der thermoelektrischen Vorrichtung auf die Halbleiterelemente aufgebracht werden, so dass die Halbleiterelemente mit einer hohen Packungsdichte auf den Trägerschichten bzw. elektrischen Isolationsschichten an- geordnet werden können und sich gegeneinander abstützen. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Luftspalt zwischen den Halbleiterelementen, der sich fertigungstechnisch nur schwer einstellen lässt, ist damit hier nicht nötig. Hier wird die Isolierung der Halbleiterelemente untereinander so durch eine gesonderte Schicht bewirkt, so dass die Halbleiterelemente in Form der Reihenschaltung ausschließlich über die Lotmaterialien elektrisch miteinander verbunden sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die Isolierung zwischen den Seitenflächen der Halbleiterelemente eine Isolierungsweite von weniger als 50 μm aufweist, bevorzugt weniger als 20 μm und besonders bevorzugt weniger als 5 um. Auch diese Maß- nähme führt zu einer kompakten Bauform der thermoelektrischen Vorrichtung und ebenfalls zu einer vereinfachten Herstellung. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der thermoelektri- schen Vorrichtung weist die erste Trägerschicht eine erste Dicke zwischen 20 μm und 500 μm, bevorzugt zwischen 40 μm und 250 μm auf. Dabei ist die erste Trägerschicht während des Betriebes der thermoelekt- rischen Vorrichtung insbesondere auf der Heißseite angeordnet.
Insbesondere weist nur die erste Trägerschicht zumindest ein axiales Kompensationselement auf, das eine Wärmedehnung des Moduls in einer axialen Richtung ausgleicht. Das axiale Kompensationselement kann z. B. nach Art eines Faltenbalges oder gemäß einer wellenförmigen Ausbuchtung ausgeführt sein, so dass eine Stauchung bzw. Dehnung in diesem Bereich ermöglicht wird und damit die infolge des Temperaturunterschiedes bewirkte unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen der ersten Trägerschicht (Heißseite) und der zweiten Trägerschicht (Kaltseite) kompensiert wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die zweite Trägerschicht eine zweite Dicke zwischen 200 μm und 1,5 mm, insbesondere zwischen 400 μm und 1,2 mm aufweist. Durch diese gegenüber der ersten Dicke wesentlich stärker ausgeführten zweiten Dicke wird die Formstabilität der thermo- elektrischen Vorrichtung bzw. des Moduls gewährleistet.
Vorteilhafterweise weist die zweite Trägerschicht ein Material auf, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die erste Trägerschicht hat, so dass die zweite Trägerschicht trotz der größeren zweiten Dicke dennoch eine vergleichbare Wärmeabführung zeigt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der thermoelektrischen Vorrichtung sind mehrere axiale Kompensationselemente in Abständen von jeweils höchstens 10 mm in einer axialen Richtung vorgesehen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das wenigstens eine Modul zumindest ein axiales Kompensationselement auf, das gebil- det wird durch zumindest mehrere in einer axialen Richtung schräg angeordnete Halbleiterelemente, so dass eine Wärmeausdehnung des Moduls in einer axialen Richtung zumindest teilweise in eine Wärmeausdehnung des Moduls in einer radialen Richtung umgewandelt wird. Durch die Schrägstellung der Halbleiterelemente in einer axialen Richtung kann in Folge einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung der ersten Trägerschicht im Vergleich zur zweiten Trägerschicht eine Relativbewegung dieser Trägerschichten durch eine Änderung der Schräglage der Halbleiterelemente kompensiert werden. Dadurch wird anstatt einer einseitigen Längenänderung des Moduls eine radiale Ausdehnung bewirkt. Dabei sind die zumindest mehreren Halbleiterelemente zumindest dann schräg in der axialen Richtung angeordnet, während die thermoelektrische Vorrichtung außer Betrieb ist. Während des Betriebes richten sich die Halbleiterelemente infolge der axialen Wärmeausdehnung so auf, dass die Halblei- terelemente insbesondere senkrecht zu den Trägerschichten bzw. der axialen Richtung angeordnet sind. Diese radiale Wärmeausdehnung kann zu einer Einschränkung eines an die äußeren Träger schichten angrenzenden, von einem Fluid durchströmten, Querschnitt führen, wobei hierdurch ebenfalls eine Steuerung des Fluid- Volumenstroms entlang der Trägerschichten möglich wird. Dementsprechend können Fluidströme in einem thermoelektrischen Generator mit einer Vielzahl von thermoelekt- rischen Vorrichtungen und einer Mehrzahl von einem Fluid durchströmten Kanälen bzw. überströmten Trägerschichten insbesondere selbstregelnd gesteuert werden, dass eine gleichmäßige Verteilung der verfügba- ren Wärmeleistung im Fluidstrom über alle verfügbaren Oberflächen der thermoelektrischen Vorrichtungen gewährleistet bzw. gefördert wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Kompensation der Wärmeausdehnung durch Materialien für die Trägerschichten bewirkt, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die Trägerschicht der Heißseite weist einen entsprechend geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und die Trägerschicht der Kaltseite einen entsprechend hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung der thermoelektrischen Vorrichtung sieht vor, dass zumindest eine Mehrzahl von Modulen in einer axialen Richtung miteinander verbindbar sind. Dadurch ist eine An- passung der thermoelektrischen Vorrichtung an vorher festgelegte Leistungsanforderungen möglich. Dies hat insbesondere Vorteile für die Herstellung und Bereitstellung von thermoelektrischen Vorrichtungen für die unterschiedlichen Anwendungsfälle. Dabei werden die Module untereinander insbesondere zumindest durch eine Lotverbindung miteinander verbunden, wobei insbesondere voneinander isolierte elektrische Leiterbahnen vorzusehen sind, die eine elektrische Reihenschaltung der Halbleiterelemente der einzelnen Module ermöglichen. Insbesondere ist dabei auch eine fluiddichte Verbindung der einzelnen Module untereinander zu erzeugen, so dass insbesondere korrosiv wirkende Umgebungsmedien, z.B. ein Abgas, nicht in die Bereiche zwischen zwei Modulen eindringen können. Für diese Verbindung von zumindest einer Mehrzahl von Modulen ist insbesondere eine rohrförmige Ausgestaltung der Module zu bevorzugen.
In vorteilhafter Weise kann ein Modul einen Füllstoff aufweisen, der den Zwischenraum zwischen den Trägerschichten gegenüber Umgebungsmedien bzw. Fluiden, insbesondere einem Kühlkreislauf oder einem Abgas, abdichtet. Insbesondere können auch die Trägerschichten den Zwischenraum abdichten, indem die erste Trägerschicht und die zweite Träger- schicht eine (direkte) Verbindung miteinander ausbilden. Bei einer Anordnung mehrerer Module hintereinander werden aber bevorzugt erste Trägerschichten mit ersten Trägerschichten und/oder zweite Trägerschichten mit zweiten Trägerschichten verbunden, so dass die elektrischen Leiterbahnen innerhalb jedes einzelnen Moduls mit den Leiterbah- nen des benachbarten Moduls verbindbar sind, ohne dass eine Trägerschicht durch eine Leiterbahn durchdrungen werden muss. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist ein thermoelekt- rischer Apparat eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen thermoelektri- schen Vorrichtungen auf, wobei die erste Trägerschicht mit einer Heißseite und die zweite Trägerschicht mit einer Kaltseite verbunden ist.
Ganz besonders bevorzugt wird hier ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einer Abgasanlage, einem Kühlkreislauf und einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen thermoelektrischen Vorrichtungen vorgesehen, wobei die erste Trägerschicht mit einer Heißseite und die zweite Träger Schicht mit einer Kaltseite verbunden sind und wobei bei dem Kraftfahrzeug die Abgasanlage mit der Heißseite und der Kühlkreislauf mit der Kaltseite verbunden ist.
Weiter ist ein thermoelektrischer Generator bevorzugt, bei dem der min- destens einen kühlen Strömungspfad vom Abgas außen umströmt werden. Bei dieser Ausgestaltung wird insbesondere davon ausgegangen, dass der kühle Strömungspfad zum Beispiel nach Art eines Rohres gebildet ist. Das Kühlfluid durchströmt dabei innen das Rohr, wobei das Abgas außen um das Rohr herum strömt. Bei dieser Anordnung ist gewähr- leistet, dass dem heißen Abgas die größere Oberfläche für den Kontakt bzw. die Wärmeleitung zu den Halbleiterelementen zur Verfügung steht. Damit kann insbesondere der schlechtere Wärmeübergang vom Abgas hin zu den Halbleiteelementen über die äußere Wand kompensiert werden.
Entsprechend einer Weiterbildung des thermoelektrischen Generators, kann dieser so ausgestaltet sein, dass die thermoelektrischen Vorrichtungen mit gegeneinander isolierten Gehäusen ausgeführt und über einen DCDC-Wandler miteinander verschaltet sind. Bei einem solchen thermoelektrischen Generator kann der Fall eintreten, dass die einzelnen ther- moelektrischen Vorrichtungen jeweils unterschiedliche Spannungen während des Betriebes generieren. Dies kann beispielsweise dadurch reduziert werden, dass die einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen mit verschiedenen Arten von Halbleiterelementen ausgeführt sind, so dass diese auf die jeweils in der thermoelektrischen Vorrichtung zu erwartenden Abgastemperaturen angepasst sind, so beispielsweise einen entsprechenden temperaturabhängigen Wirkungsgrad aufweisen. Gleichwohl kann es hierbei noch zu Unterschieden kommen, wobei eine negative Be- einflussung der miteinander elektrisch verschalteten thermoelektrischen Vorrichtungen durch den Einsatz wenigstens eines DCDC-Wandlers vermieden wird. Unter einem DCDC-Wandler wird insbesondere ein Gleichstromsteller verstanden. Selbstverständlich können ähnliche Elemente eingesetzt werden, die dem gleichen Zweck dienen.
Der thermoelektrische Generator kann auch so ausgeführt werden, dass die thermoelektrischen Vorrichtungen jeweils mit Halbleiterelementen unterschiedlichem temperaturabhängigen Wirkungsgrad gebildet sind. Hierbei ist bevorzugt, dass jede thermoelektrische Vorrichtung jeweils mit einer (einzigen) Art von Paarungen von Halbleiterelementen ausgeführt ist. Diese Paarung ist insbesondere so ausgewählt, dass die Halbleiterelemente für den im Betrieb der thermoelektrischen Vorrichtung herrschenden Temperaturen einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen. In Anbetracht der zu erwartenden Abgastemperaturen bzw. der Lage der thermoelektrischen Vorrichtungen, können einzelne oder alle thermoelektrischen Vorrichtungen jeweils eine andere Paarung von Halbleiterelementen aufweisen, die der dort jeweils herrschenden Temperaturen Rechnung tragen. So können beispielsweise nahe des Eintritts des Abgases in den thermoelektrischen Generator Halbleiterelemente vorgesehen sein, die ihren optimalen Wirkungsgrad im Bereich oberhalb von 25O C aufweisen, während beispielsweise in zuletzt durchströmten Teilen des thermoelektrischen Generators Halbleiterelemente bereitgestellt sind, die bei ca. 8O C bis 100 C ihren optimalen Wirkungsbereich haben. Dadurch kann der Gesamtwirkungsgrad des thermoelektrischen Generators ver- bessert werden.
Ein thermoelektrischer Generator, bei dem wenigstens ein Kühler nach den thermoelektrischen Vorrichtungen vorgesehen ist, der vom Kühlfluid durchströmt wird, wird ebenfalls bevorzugt. In besonderen Anwendungsfällen kann es sinnvoll sein, wenn der thermoelektrische Generator durch einen abschließenden Kühler ergänzt wird. Dabei kann der Kühler zum Beispiel analog zu der thermischen Vorrichtung ausgeführt sein, wobei keine Halbleiterelemente mehr vorgesehen sind. Die Anordnung der heißen und kühlen Strömungspfade kann so ebenso wie die äußere Gestalt des Kühlers beibehalten werden. Gegebenenfalls ist es auch möglich, dass für den Kühler und die thermoelektrischen Vorrichtungen dasselbe Kühlfluid verwendet wird bzw. ein gemeinsamer Kühlfluid-Kreislauf ge- bildet ist. Damit werden die Kompaktheit dieser Abgasbehandlungseinheit sowie eine reduzierte Teile-Vielfalt bewahrt.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung aufzeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
Fig. 1: eine Ausführungsvariante eines thermoelektrischen Apparates in einem Kraftfahrzeug;
Fig. 2: eine Ausführungsvariante eines Moduls einer thermoelektrischen Vorrichtung;
Fig. 3: eine Ausführungsvariante eines Halbleiterelementes;
Fig. 4: eine weitere Ausführungsvariante eines Moduls einer thermoelektrischen Vorrichtung;
Fig. 5: eine weitere Ausführungsvariante eines Halbleiterelementes;
Fig. 6: eine Ausführungsvariante einer thermoelektrischen Vorrichtung; Fig. 7: ein Detail einer Ausführungsvariante eines Moduls;
Fig. 8: eine Ausführungsvariante eines mehrstufigen Generators; und
Fig. 9: ein Detail einer Fixierung des Halbleiterelements.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsvariante eines thermoelektrischen Apparates 33 in einem Kraftfahrzeug 34 mit einem Verbrennungsmotor 35 und einer Abgasanlage 36, in der ein zweites Fluid 23, insbesondere ein Abgas, mit einer erhöhten Temperatur durch den thermoelektrischen Apparat 33 hindurchströmt. Der thermoelektrische Apparat 33 weist eine Vielzahl von thermoelektrischen Vorrichtungen 1 mit Modulen 2 auf. Diese Module 2 werden auf einer Heißseite 38 von dem zweiten Fluid 23 überströmt und auf einer Kaltseite 39 von einem ersten Fluid 14, das einem Kühlreis- lauf 37 zugeordnet ist. Die Heißseite 38 der thermoelektrischen Vorrichtung 1 wird durch eine erste Trägerschicht 3 des Moduls 2 begrenzt. Ebenso wird die Kaltseite 39 durch eine zweite Trägerschicht 4 des Moduls 2 begrenzt. In dem Zwischenraum 5 zwischen erster Trägerschicht 3 und zweiter Trägerschicht 4 sind Halbleiterelemente 7 angeordnet. Wei- terhin ist in Fig. 1 das gekapselte Volumen 19 eines Moduls 2 gezeigt, das hier durch die erste Trägerschicht 3 und die zweite Trägerschicht 4 begrenzt bzw. eingeschlossen wird.
Fig. 2 zeigt ein Detail einer Ausführungsvariante eines Moduls 2 einer thermoelektrischen Vorrichtung 1. Dabei ist das Modul 2 dargestellt mit einer ersten Trägerschicht 3 und einer zweiten Trägerschicht 4, die zwischen sich einen Zwischenraum 5 aufweisen, in dem die Halbleiterelemente 7 wechselweise als n- und p-dotierte Halbleiterelemente angeordnet sind. Diese Halbleiterelemente 7 sind wechselweise elektrisch mitein- ander durch Lotmaterial 10 verbunden, so dass sich eine Reihenschaltung der n- und p-dotierten Halbleiterelemente ergibt. Das Lotmaterial 10 weist hier eine Lotdicke 12 auf. Das Lotmaterial 10 ist gegenüber der ersten Trägerschicht 3 bzw. zweiten Trägerschicht 4 durch eine elektrische Iso- lationsschicht 6 beabstandet, die eine Isolationsschichtdicke 26 aufweist. Die erste Trägerschicht 3 weist hier eine erste Dicke 27 auf, die insbesondere geringer ausgeführt ist als eine zweite Dicke 28 der zweiten Trägerschicht 4. Zwischen den Halbleiterelementen 7 ist eine Isolierung 21 mit einer Isolierungsweite 22 angeordnet, die einen Übertritt der die Halbleiterelemente 7 durchströmenden Elektronen verhindern soll und dementsprechend die Reihenschaltung der Halbleiterelemente 7 nur über das die Leiterbahnen 42 bildende Lotmaterial 10 gewährleistet. Weiter weist das Modul 2 eine mit Halbleiterelementen 7 beschichtbare Gesamtfläche 25 auf, die durch die äußersten Halbleiterelemente 7 begrenzt wird. Demgegenüber ist die beschichtete Fläche 24 die Summe der Flächenanteile des Moduls 2, die mit Halbleiter dementen 7 beschichtet ist.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante eines Halbleiterelementes 7. Dieses ist hier quaderförmig bzw. stäbchenförmig ausgeführt und weist eine erste Kontaktfläche 15 und eine zweite Kontaktfläche 16 auf, über die das Halbleiterelement 7 mit der ersten Trägerschicht bzw. zweiten Trägerschicht über die elektrische Isolierungsschicht verbunden ist. Weiter weist das Halbleiterelement 7 eine Stromübergangsfläche 11 auf, die durch die Kontaktierung des Halbleiterelementes 7 mit Lotmaterial 10 gebildet wird, durch die die einzelnen Halbleiterelemente innerhalb des Moduls in einer Reihenschaltung miteinander verbunden werden. Das Halbleiterelement 7 weist zudem Seitenflächen 20 auf, die zusammen mit der ersten und zweiten Kontaktfläche 15, 16 das Volumen 18 des Halbleiterele- ments 7 begrenzen. Das Halbleiter element 7 weist zudem eine Höhe 13 auf.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines Moduls 2 einer ther- moelektrischen Vorrichtung 1, wobei hier eine rohrförmige Ausführung der thermoelektrischen Vorrichtung 1 bzw. des Moduls 2 gezeigt ist. Das rohrförmige Modul 2 wird durch einen inneren Kanal 41 insbesondere von einem zweiten Fluid 23 durchströmt. Damit bildet in der hier gezeigten Ausführungsvariante der innere Kanal 41 die Heißseite 38 der ther- moelektrischen Vorrichtung 1. Die Kaltseite 39 der thermoelektrischen Vorrichtung 1 wird von einem ersten Fluid 14 überströmt, so dass sich über die Halbleiterelemente 7 ein Temperaturpotential bildet. Die innere Umfang sfläche des Rohres und damit der innere Kanal 41 wird durch die erste Trägerschicht 3 gebildet, während die äußere Umfangsfläche des Moduls 2 hier durch die zweite Trägerschicht 4 gebildet wird. Zur Begrenzung des Zwischenraums 5 und zum Schutz vor dem Eindringen vor ggf. korrosiv wirkenden Fluiden ist der Zwischenraum 5 durch ein Füllmaterial 40 abgedichtet.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines Halbleiterelementes 7. Dabei ist hier ein ringförmiges Halbleiterelement 7 gezeigt mit einer äußeren Umfangsfläche 8 und einer inneren Umfangsfläche 9. Dieses Halbleiterelement 7 ist insbesondere geeignet zum Einsatz in einer rohrförmi- gen thermoelektrischen Vorrichtung z. B. gemäß Fig. 4. Das Halbleiterelement 7 ist dabei über eine erste Kontaktfläche 15 mit der ersten Trägerschicht und mit einer zweiten Kontaktfläche 16 mit einer zweiten Trägerschicht verbunden. Das Halbleiterelement 7 weist weiterhin Seitenflächen 20 sowie eine Höhe 13 auf, die sich zwischen der inneren Umfangs- fläche 9 und der äußeren Umfangsfläche 8 ausbildet. Das ringförmige Halbleiterelement 7 weist eine Stromübergangsfläche 11 auf seiner äußeren Umfangsfläche 15 und eine weitere Stromübergangsfläche auf seiner inneren Umfangsfläche 16 auf, die durch die Kontaktierung mit Lotmaterial 10 gebildet wird.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsvariante einer thermoelektrischen Vorrichtung 1, wobei mehrere Module 2 zu einer thermoelektrischen Vorrichtung 1 miteinander durch Lötverbindungen 43 verbunden sind. Dabei ist insbesondere eine Abdichtung der einzelnen Module 2 gegenüber ggf. korro- siv wirkenden Fluiden zu gewährleisten. Hier sind mehrere Module 2 zu einer thermoelektrischen Vorrichtung 1 verbunden, so dass die thermo- elektrische Vorrichtung 1 an unterschiedlichste Anforderungen hinsichtlich der Bereitstellung von elektrischer Energie bzw. Umwandlung von vorhandener thermischer Energie in elektrische Energie angepasst werden kann. Die einzelnen Module 2 sind über Verbindungsmittel 45 miteinander elektrisch verbunden, so dass eine Reihenschaltung der Halbleiterelemente auch über mehrere Module 2 innerhalb der thermoelektrischen Vorrichtung 1 gewährleistet ist.
Fig. 7 zeigt ein Detail einer bevorzugten Ausführungsvariante eines Moduls 2, wobei hier gegenüber einer axialen Richtung 31 schräggestellte Halbleiterelemente 7 vorgesehen sind, die ein axiales Kompensationsele- ment 29 bilden, so dass eine Wärmeausdehnung 30 in der axialen Richtung 31 durch Veränderung der Schrägstellung der Halbleiterelemente 7 in eine Wärmeausdehnung 30 in radialer Richtung 44 zumindest teilweise umgewandelt werden kann. Weiter sind axiale Kompensationselemente 29 auf der ersten Trägerschicht 3 (Heißseite 38) vorgesehen, die in einem Abstand 32 zueinander angeordnet sind.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsvariante eines mehrstufigen Generators in 33. Diese ist hier mit drei in Strömungsrichtung 52 des Abgases direkten hintereinander angeordneten thermoelektrischen Vorrichtungen 1 ausge- führt. Die elektrothermischen Vorrichtungen bilden einen heißen Strömungspfad 46 für das Abgas, welcher durchsetzt ist von einer Mehrzahl von rohrähnlichen kühlen Strömungspfaden 47, durch die das Kühlfluid hindurchströmt nach Art eines Kreuzstrom-Wärmetauschers. Die einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen 1 sind in Reihe geschaltet, wobei hier auch die DCDC-Wandler 48 vorgesehen sind. In Strömungsrichtung 52 ist den thermoelektrischen Vorrichtungen 1 ein Kühler 49 nachgeordnet, der im Wesentlichen baugleich zu den thermoelektrischen Vorrichtungen 1 gebildet ist, wobei hier jedoch der komplexe Aufbau der kühlen Strömungspfade 47 nicht realisiert ist. Gleichwohl kann eine be- sonders kompakte Ausgestaltung realisiert werden. Der heiße Strömungspfad 46 kann beispielsweise mit den Abmessungen 90 mm x 50 mm ausgeführt sein. Die kühlen Strömungspfade 47 können nach Art von doppelwandigen Rohren mit einem Innendurchmesser von 6 mm und einem Außendurchmesser von 14 mm ausgeführt sein. So können beispielsweise bei Eintritt des Abgases mit einer Temperatur von 500 C und einem Austritt mit einer Temperatur von 8O C etwa 0,1 V im Thermopaar generiert werden, so dass eine Spannung von 12 bis 15 Volt pro thermo- elektrischer Vorrichtung 1 erzielt ist. Die einzelnen thermoelektrischen Vorrichtungen 1 sind dabei gegeneinander elektrisch isoliert.
Fig. 9 zeigt nun ein Detail der Fixierung eines Halbleiterelementes 7, zum Beispiel auf einer Kaltseite 4, bzw. der Innenwandung eines rohrförmig gestalteten kühlen Strömungspfades. Auf dieser Kaltseite 4 ist Lotmaterial 10 vorgesehen, an dem das flexible Medium 50, beispielsweise ein Metallschaum oder ein Sintermaterial, fixiert ist. Das flexible Medium 50 ist verformbar, so dass insbesondere in axialer und/oder radialer Richtung des Strömungspfades Ausgleichsbewegungen ermöglicht sind. Die „Form- Steifigkeit" bzw. das Verformung s verhalten, wird durch ein Druckmedium 51 realisiert, das (gezielt) in das flexible Medium 50 eingebracht werden kann. Bei diesem Druckmedium 51 handelt es sich beispielsweise um ein Öl, welches keine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Bevorzugt ist weiter, dass das flexible Medium 50 und das Druckmedium 51 gute Wärme- leitfähigkeiten aufweisen, so dass ein Wärmeübergang von der Kaltseite 4 hin zum Halbleiterelement 7 gewährleistet ist. Das Halbleiterelement 7 ist über eine Diffusionssperre 53 und Lotmaterial 10 ebenfalls an diesem flexiblen Medium 50 fixiert. Treten nun im Betrieb radiale Spannungen auf, kann das flexible Medium 50 komprimiert werden, wobei das Druckmedium 50 beispielsweise in ein Ausgleichsvolumen austritt. Kühlt die Vorrichtung wieder ab, kann das Schrumpfen dadurch kompensiert werden, dass das Druckmedium 51 wieder in das flexible Medium 50 eintritt und damit eine Ausdehnung des flexiblen Mediums 50 zufolge hat. Bezugszeichenliste
1 Thermoelektrische Vorrichtung
2 Modul
3 Erste Trägerschicht (Heißseite)
4 Zweite Trägerschicht (Kaltseite)
5 Zwischenraum 6 Isolationsschicht
7 Halbleiterelement
8 Äußere Umfang sfläche
9 Innere Umfangsfläche
10 Lotmaterial 11 Stromübergangsfläche
12 Lotdicke
13 Höhe
14 Erstes Fluid
15 Erste Kontaktfläche 16 Zweite Kontaktfläche
17 Nutzvolumen
18 Volumen
19 Gekapseltes Volumen
20 Seitenfläche 21 Isolierung
22 Isolierungsweite
23 Zweites Fluid
24 Beschichtete Fläche
25 Beschichtbare Gesamtfläche 26 Isolationsschichtdicke
27 Erste Dicke
28 Zweite Dicke
29 Axiales Kompensationselement 30 Wärmeausdehnung
31 Axiale Richtung
32 Abstand
33 Thermoelektrischer Generator
34 Kraftfahrzeug
35 Verbrennungsmotor
36 Abgasanlage
37 Kühlkreislauf
38 Heißseite
39 Kaltseite
40 Füllmaterial
41 Innerer Kanal
42 Leiterbahn
43 Lotverbindung
44 Radiale Richtung
45 Anschlusselemente
46 heißer Strömungspfad
47 kühler Strömungspfad
48 DCDC-Wandler
49 Kühler
50 flexibles Medium
51 Druckmedium
52 Strömungsrichtung
53 Diffusionssperre

Claims

Patentansprüche
1. Thermoelektrischer Generator (33) aufweisend eine Mehrzahl ther- moelektrischer Vorrichtungen (1), die von einem Abgas eines
Verbrennungsmotors nacheinander durchströmbar angeordnet sind, wobei jede thermoelektrische Vorrichtung (1) mindestens einen heißen Strömungspfad (46) für das Abgas und mindestens einen kühlen Strömungspfad (47) für ein Kühlfluid bildet, zwischen denen eine Mehrzahl von p- und n-dotierten Halbleiterelementen (7) gezielt verschaltet und isoliert angeordnet ist, und bei dem bei wenigstens einer thermoelektrischen Vorrichtung (1) wenigstens ein Teil der Halbleiterelemente (7) auf einem flexiblen Medium (50) fixiert sind.
2. Thermoelektrischer Generator (33) nach Patentanspruch 1, bei dem die Halbleiterelemente (7) wenigstens teilweise mit einem Druckmedium (51) beaufschlagbar sind.
3. Thermoelektrischer Generator (33) nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem der mindestens einen kühlen Strömungspfad (47) vom Abgas außen umströmt werden.
4. Thermoelektrischer Generator (33) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die thermoelektrischen Vorrichtungen (1) mit gegeneinander isolierten Gehäusen ausgeführt und über einen
DCDC-Wandler (48) miteinander verschaltet sind.
5. Thermoelektrischer Generator (33) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die thermoelektrischen Vorrichtungen (1) jeweils mit Halbleiterelementen (7) unterschiedlichem temperaturabhängigen Wirkungsgrad gebildet sind.
6. Thermoelektrischer Generator (33) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem wenigstens ein Kühler (49) nach den thermoelektrischen Vorrichtungen (1) vorgesehen ist, der vom Kühlfluid durchströmt wird.
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