(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面（２）、軸（３）および外周面（４）を有する熱電モジュール（１）であって、熱電材料（６）を含む複数の半導体エレメント（５）は、前記軸（３）の方向において、前記内周面（２）と前記外周面（４）との間に配置され、そして複数の前記半導体エレメントは交互に電気的に互いに接続され、前記半導体エレメント（５）の少なくともいくらかは、少なくとも内側フレーム部（７）を有し、その結果、前記内側フレーム部（７）は、中断した内周面（２）を形成し、前記内周面（２）は、前記熱電モジュール（１）の低温側（２７）をさらに形成し、そして寸法的に不安定な被鞘（１４）は、少なくとも前記中断した内周面（２）に設けられる、熱電モジュール（１）。
【請求項２】
前記半導体エレメント（５）は、前記内側フレーム部（７）と外側フレーム部（８）との間に配置される熱電材料（６）を備え、少なくとも前記内側フレーム部（７）は、前記熱電材料（６）を越えて一側上に突出し、そしてそこに、隣接する内側フレーム部と寸法的に厳密な接続領域（１０）を形成する、請求項１に記載の熱電モジュール（１）。
【請求項３】
隣接する前記内側フレーム部（７）相互間に空きスペース（１１）が、少なくとも前記中断した内周面（２）において形成され、前記空きスペースは、多孔性の絶縁材（１３）で満たされる、請求項１または２に記載の熱電モジュール（１）。
【請求項４】
少なくとも前記内周面（２）に設けられる前記寸法的に不安定な被鞘（１４）は、室温で前記外周面（４）の方を目指すプレロードしている力（１５）を有する拡張ホースである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電モジュール（１）。
【請求項５】
前記寸法的に不安定な被鞘（１４）は、前記プレロードしている力（１５）を生成する少なくとも１つのばね要素（１６）を有する、請求項４に記載の熱電モジュール（１）。
【請求項６】
前記寸法的に不安定な被鞘（１４）は、少なくとも部分的に、形状記憶合金（ＳＭＡ）または形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）のうちの少なくとも１つから構成される、請求項４または５に記載の熱電モジュール（１）。
【請求項７】
前記内側フレーム部（７）上の前記プレロードしている力（１５）は、室温で少なくとも１５Ｎ／ｍｍ２である、請求項４〜６のいずれか１項に記載の熱電モジュール（１）。
【請求項８】
前記内側フレーム部（７）上のプレロードしている力（１５）は、前記寸法的に不安定な被鞘（１４）での１５０℃〜２５０℃の温度で少なくとも１０Ｎ／ｍｍ２である、請求項４〜７のいずれか１項に記載の熱電モジュール（１）。
【請求項９】
前記寸法的に不安定な被鞘（１４）と少なくとも前記内周面（２）との間に接着剤（１７）が配置される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱電モジュール（１）。
【請求項１０】
内燃機関（２１）、排気系統（２２）および冷却系統（２３）を有する車両（２０）であって、請求項１〜９のいずれか１項に記載の複数の熱電モジュール（１）を有する熱電発生器（２４）が設けられ、前記排気系統（２２）は、前記熱電モジュール（１）の前記外周面（４）に沿って外部的に延びて、前記冷却系統（２３）は、前記熱電モジュール（１）の前記内周面（２）の範囲内に、かつそれに沿って延びる、車両（２０）。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電モジュールに関し、特に車両に用いられる熱電発生器用の熱電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車両の内燃機関からの排ガスは、熱エネルギーを含む。そしてそれは、例えばバッテリまたはいくらかの他のエネルギー蓄積装置を充電するためにおよび／または電気消費部に必要なエネルギーを直接供給するために、熱電発生器によって電気エネルギーに変換されることができる。このようにして、自動車両は、より良好なエネルギー効率によって作動され、そして、自動車両を作動するために利用可能なより多くのエネルギーがある。
【０００３】
この種の熱電発生器は、少なくとも１つの熱電モジュールを有する。熱電モジュールは、例えば、少なくとも２つの半導体エレメント（ｐドープトおよびｎドープト）を備える。そしてそれは、それらの（高温側または低温側に面する）上側および下側上に交互の導電性ブリッジを備え、そして、最小の熱電ユニットすなわち熱電エレメントを形成する。熱電材料は、それらが熱エネルギーを電気エネルギーに（セーベック効果）およびその逆に（ペルチェ効果）変換することができるような種類のものである。温度勾配が半導体エレメントの両側に提供される場合、電位は、半導体エレメントの両端間に形成される。より高温側の電荷担体は、より高い温度によって増加した程度に伝導帯へと励起される。伝導帯におけるこのプロセスの間、生成される濃度の違いのせいで、電荷担体は、半導体エレメントのより冷温側に拡散し、そして電位差を引き起こす。熱電モジュールにおいて、多数の半導体エレメントが電気的に直列に接続される場合、それは好ましい。直列の半導体エレメントにおいて発生する電位差が互いに相殺しないことを確実にするために、交互の半導体エレメントは、異なる大多数の電荷担体（ｎドープトおよびｐドープト）を有する直接的な電気接点に常にもたらされる。接続された電気的な負荷抵抗によって、回路は、閉じることができる。したがって、電力は、取り出されることができる。
【０００４】
半導体エレメントが支持されたベース上の動作に適合することを確実にするために、拡散障壁は、導電性ブリッジと熱電材料との間に通常配置される。そして、電気的ブリッジに、または熱電材料へのはんだに含まれる材料の拡散を防止する。これは、半導体材料のおよび熱電エレメントの効率の損失または機能的不具合に反対に作用する。熱電モジュールのおよび半導体エレメントの構造は、個々のコンポーネント、すなわち熱電材料、拡散障壁、導電性ブリッジ、絶縁、および（適切な場合）追加的なハウジング要素を組み立てることによって、通常達成される。多数の個々のコンポーネントのこの組み立てはまた、個々のコンポーネントの、高温側から低温側までの熱伝導のための許容度および許容誤差の正確な合致を必要とし、そして、電流の流れが熱電モジュールを通って発生することができるように、導電性ブリッジの十分な接触を必要とする。
【０００５】
この種の半導体エレメントが熱電性モジュール内に配置されることを可能にするために、半導体エレメントがその上に固定されるモジュールの外部の境界決定のためのハウジング、壁および／または支持管は、通常設けられる。これは、特に、一方で、電気的接続およびハウジングの位置に関して半導体エレメントの正確に適切な配置を達成するために、製造の間、高い許容度の必要条件が必要になる。他の課題は、外部のおよび内部のハウジング部品上の異なる熱応力のせいで、特に高い応力を熱電材料へと導入することなく前記コンポーネントによる異なる膨張挙動を補償する必要もある、という事実である。熱電モジュールのこの種の製造に関して正確には、かなりの数のコンポーネントを互いに容易に結合して、保管および取り扱いを単純化して、さらに、組み立ての間、軽量で安定した構造を生産することを可能にしたいという希望が、ある。
【０００６】
熱電モジュールの場合、効率は、高温側から低温側への熱の流れによって基本的に決定される。高温側は、通常、ガス状の排ガスによって作用され、低温側は、液体冷却剤によって作用される。ガス状の媒体の熱容量が液体の媒体の熱容量を通常著しく下回るので、ガス状の媒体からの熱伝達のための領域を増やすことは、有利である。このために、正確にはより大きい熱伝達面が高温側に設けられるときに、熱電モジュールの効率は、大幅に向上することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これを出発点として、従来技術に関して説明される課題を少なくとも部分的に解決することは、本発明の目的である。特に、目的は、技術的に単純な方法で生産することができ、より少ない部品点数を有し、所望の応用のために安定であり、および／または、排ガスの熱エネルギーから電気エネルギーを生成するために高い効率をさらに有する熱電モジュールを特定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これらの目的は、請求項１の特徴による熱電モジュールによって達成される。本発明のさらに有利な実施形態は、従属請求項において示される。請求項において個々に示される特徴は、いかなる技術的に意味のある方法でも組み合わされることができて、本発明の追加的な実施形態を引き起こすことができる。記述は、特に図と関連して、本発明をさらに説明して、本発明の補助的な実施形態を示す。
【０００９】
本発明による熱電モジュールは、内周面、軸および外周面を有し、熱電材料を含む複数の半導体エレメントは、軸の方向において、内周面と外周面との間に配置され、そして交互に互いに電気的に接続される。そのうえ、半導体エレメントの少なくともいくらかは、少なくとも内側フレーム部を有し、その結果、内側フレーム部は、中断した内周面を形成する。内周面は、熱電モジュールの低温側をさらに形成し、そして寸法的に不安定な被鞘は、少なくとも中断した内周面に設けられる。
【００１０】
特に、熱電モジュールは、熱電発生器の別々のサブアセンブリを形成する。適切な場合、熱電モジュールは、この種の熱電モジュールが多数のさらなる熱電モジュールと電気的に相互接続することができる端子を有することが、ここで好ましい。特に、熱電モジュールに組み込まれるすべての半導体エレメントの電気的接続または相互接続は、したがって、前記モジュールの範囲内で実施される。この種の熱電モジュールは、次いで、一方で冷却媒体に、そして他方で加熱媒体にさらされる。ここでの特定の焦点は、熱電モジュールがその内周面を介して冷却媒体と、そしてその外周面に関して加熱媒体（特に排ガス）と接触するようにもたらされなければならないということであり、あるいは、前記熱電モジュールを通る、またはその周りの前記媒体の流れがなければならないということである。実際には、したがって、内周面は、熱電モジュールの「低温側」として知られた部分を形成し、そして外周面は、熱電モジュールの「高温側」として知られた部分を形成形成する。
【００１１】
熱電モジュールが細長い設計、すなわち、例えば、レールのまたは管の様式である場合、それはさらに好ましい。熱電モジュールがほぼ円筒状または管の様式で構成されなければならないことが非常に特に好ましい場合でさえ、この種の形状は、強制的ではない。特に、卵形断面またはポリゴン断面は、この種の熱電モジュールにとって考慮されてもよい。この構成によれば、次いで、中心軸および内周面および外周面を確認することもできる。特に、内周面は、この場合、冷却媒体が通って流れることのできる内側ダクトを境界づける。この配置構成によって、ガス状の排ガスが広い領域の外周面に作用し、そして冷却媒体が内側ダクトを通過するので、管状の熱電モジュールの効率を著しく向上させることができる。
【００１２】
熱電材料は、前記内周面と外周面との間に配置される。そして、前記材料の各々は、「半導体エレメント」と呼ばれる部分に割り当てられる。多数のこの種の半導体エレメントは、特に、ｐドープト熱電材料を含む半導体エレメントおよびｎドープト熱電材料を含む半導体エレメントが互いに隣接して交互に配置されるような仕方で、軸方向に互いに配置されて積み重ねられることができる。この点で、予め定められたドーピングを有する半導体エレメントが内周面の周りに例えばディスクまたはリングの様式で完全に延びる場合、それは特に非常に好ましい。この熱電材料は、次いで、内側フレーム部および／または外側フレーム部によって構成される。半導体エレメントがいずれの場合も内側フレーム部および外側フレーム部を有することは、好ましい。そしてそれは、それぞれ、内側および外側上の熱電材料を完全に囲む。半導体エレメントの形状によれば、フレーム部は、例えば、リングまたは円筒状の様式で具体化される。
【００１３】
特に好適なオプションとして、熱電材料は、非積極的に（圧力によって）フレーム部に接続される。「非積極的な接続」は、力の伝達によって形成される。これらは、例えば、圧力および／または摩擦力を含む。非積極的な接続は、有効な力によって単に一緒に保たれる。
【００１４】
フレーム部が熱電材料および導体のための拡散障壁を同時に形成することは、さらに好ましい。ニッケルまたはモリブデンは、フレーム部のための材料として好ましい。そして、非常に特に好適なオプションとして、フレーム部の材料において少なくとも９５重量％の前記材料がある。以下の材料は、特に、熱電材料として好適であると考えられる。ｎ型：Ｂｉ２Ｔｅ３；ＰｂＴｅ；Ｂａ０．３Ｃｏ３．９５Ｎｉ０．０５Ｓｂ１２；Ｂａｙ（Ｃｏ，Ｎｉ）４Ｓｂ１２；ＣｏＳｂ３；Ｂａ８Ｇａ１６Ｇｅ３０；Ｌａ２Ｔｅ３；ＳｉＧｅ；Ｍｇ２（Ｓｉ，Ｓｎ）。ｐ型：（Ｂｉ，Ｓｂ）２ＴＥ３；Ｚｎ４Ｓｂ３；ＴＡＧＳ；ＰｂＴｅ；ＳｎＴｅ；ＣｅＦｅ４Ｓｂ１２；Ｙｂ１４ＭｎＳｂ１１；ＳｉＧｅ；Ｍｇ２（Ｓｉ，Ｓｂ）。
【００１５】
熱電材料または半導体エレメントは、次いで、交互に電気的に互いに接続される。そして、内周面と外周面との間の温度差のせいで、熱電モジュールおよび熱電材料を通る電流の流れは、起こる。電気的接続は、金属ブリッジ、ケーブル、はんだ等によって達成されることができる。すでに説明されたように、電気的接続は、フレーム部によって（のみ）好ましくは達成される。
【００１６】
熱電モジュールの本発明による実施形態では、少なくとも内側フレーム部は、連続した内周面を形成せず、および／または、適切な場合、加えて外側フレーム部は、連続した外周面を形成しない。これは、少なくとも内周面が、そして適切な場合、加えて外周面が連続したハウジング壁の形で具体化されなくて、中断部がここに設けられるという事実を表すことを、特に意図する。熱電モジュールが例えば管の様式で設計される場合には、連続した円筒状の内周面および／または連続した円筒状の外周面は。設けられるであろう。しかしながら、内側フレーム部は、目下、円筒状の内周面のほんの一部を形成するために用いられる。その結果、前記（仮想の）円筒状の内周面の一部は、フリーであるかまたは中断される。適切な場合、これは、（仮想の）円筒状の外周面に対応する仕方であてはまる。そしてそれは、次いで同様に、外側フレーム部によって完全に形成されない。これが管のような熱電モジュールに関してここで示される場合でさえ、この考慮は、必要な変更を加えて熱電モジュールの他の断面形状に適用されることもできる。外周面のこれらの中断部は、半導体エレメントの組み立ての後でさえ、内側フレーム部が組み込みおよび／または接続ステップのために外側から到達することを、例えば可能にする。ここで提案される中断部の他の理由は、熱電モジュールあるいは積み重ねられたおよび／または接続された半導体エレメントの配置が外周面または内周面の領域において軸方向に厳密（ｒｉｇｉｄ）でなく、むしろ中断部が熱膨張および／または製造公差を補償するために用いることができるということである。さらに、（中央に配列された）各半導体エレメントが隣接する半導体エレメントとの接続領域を形成するために用いられる場合、内周面の領域および外周面の領域の両方において（すなわち、例えば、外側フレーム部を介した一端部で、および内側フレーム部を介した他端部で）、熱電モジュールの寸法的に安定な構造は、前記構成を安定化するかまたは支持するためにこの目的のためのさらなるハウジングを必要とせずに達成されることができる。特に、追加的な内側剛性（ｒｉｇｉｄ）ケーシング管および／または外側剛性ケーシング管を省略することができる。これから、半導体エレメントのこの配置構成またはそれぞれのフレーム部の形成および接続が技術的に単純な仕方で実行され得ることが、直ちに認識されることができる。さらに、さらなる処理ステップのために、そして熱電発生器におけるその後の使用のために適した堅牢な構成を生成することは、このようにして可能である。
【００１７】
さらに、寸法的に不安定な被鞘が少なくとも中断した内周面に、または、適切な場合、加えて中断した外周面に設けられることは、有利であると考えられる。この種の寸法的に不安定な被鞘の提供は、不要な物質が熱電性材料間または半導体エレメント間の中間領域に浸透するのを防止するのに、特に役立つ。この目的のために、特に、プラスチック薄膜、例えば（外周面上の）「熱収縮性スリーブ」は、使われることができる。特に、室温で外周面の方を目指すプレロードしている力を有する拡張ホースは、内周面に設けられる。用語「拡張ホース」は、被鞘が外力の作用なしで外向きに拡大するという事実を表す。すなわち、それは、外向きに導かれるプレロードしている力を有する。熱電モジュールの内周面上への被鞘の配置の間、被鞘は、外向きに導かれるプレロードしている力のせいで内側フレーム部上に停止して、したがって、熱電モジュールの動作の間、内周面に関して流れる媒体、特に冷却媒体から半導体エレメントを保護する。したがって、例えば、内周面の周りの水の流れが寸法的に不安定な被鞘によって熱電モジュールの電気回路および／または熱電材料と接触することが防止されることが、できる。ここで、用語「寸法的に不安定な」被鞘は、熱電モジュールの安定性が非常にわずかだけ、またはごくわずかな程度だけ前記被鞘によって影響を受けるという事実を表すために特に意図される。この安定性は、隣接するフレーム部間の接続領域によって達成されると思われる。寸法的に不安定な被鞘のさらなる利点は、それが熱電モジュール上の熱応力の場合に弾性的に変形され得るということである。したがって、被鞘は、熱電モジュールに負荷を課すことのできるいかなる追加的な応力も発生しない。特に熱電モジュールの熱負荷の場合、プレロードしている力は、少なくとも部分的に維持される。したがって、熱電モジュール上の交互の熱応力があるときでさえ、被鞘は、動作中のいつでも、半導体エレメント上の、または熱電モジュールにおけるコンポーネントの配置構成上の引張力を発生しない。丈夫な（ｒｉｇｉｄ）管が熱電モジュールの内周面または外周面として用いられるときに、この種の状況は特に関係する。丈夫な管の各々が、例えば排ガスまたは冷却媒体と直接接触するので、それらは、熱電モジュールの他のコンポーネントに比べてより急速に加熱するかまたはより急速に冷却する。したがって、丈夫な管は、熱電モジュールの熱応力を誘発する。そして、これらは、特に、熱電モジュールの少なくとも半径方向で個々のコンポーネント（半導体エレメント、導電性ブリッジ、絶縁被膜）間の接触の失敗に至ることができる。内側フレーム部の、そして対応する中断した内周面の使用を通じて、熱電モジュールの個々のコンポーネントの異なる拡張または収縮は、交互の熱応力の場合に大部分が補償される。さらに、寸法的に不安定な被鞘は、熱電モジュールのいかなるさらなる熱応力も誘発しない。
【００１８】
熱電性モジュールの展開によれば、内側フレーム部と外側フレーム部との間に配置される熱電材料を含む半導体エレメントが提案される。そして、少なくとも内側フレーム部および、適切な場合、加えて外側フレーム部は各々、熱電材料を越えて一側上に突出して、そしてそこに、隣接するフレーム部と寸法的に厳密な接続領域を形成する。この文脈における非常に特に好適なオプションとして、熱電モジュールの（始めと終わりの半導体エレメントを除く）すべての半導体エレメントは、隣接するフレーム部との対応する接続領域を形成する。ここでの非常に特に好適なオプションとして、外側フレーム部は、常に外側フレーム部に接続して、そして内側フレーム部は、常に内側フレーム部に接続している。この点で、内側フレーム部および外側フレーム部が個々の半導体エレメントの場合に軸と平行して異なる方向に突出する場合、それは有利である。この場合、各フレーム部は、熱電材料の一側に関して突出することができる。しかしながら、一方で内側フレーム部が、そして他方で外側フレーム部が熱電材料の２つの側の各々で最大に突出しなければならないことは、好ましい。この種の寸法的に厳密な接続領域は、例えば、はんだ付けされた／ろう付けされた接続、接着接続または溶接接続によって達成されることができる。接続領域は、それらが車両の熱電発生器の動作の間、軸方向におよび／または半径方向に起こる静的、動的および熱的な力を吸収することができるというような仕方で、（寸法的に安定であるために）特に設計される。この目的のために、接続領域が、いずれの場合もフレーム部の周囲全体にわたって、例えば、隣接する内側フレーム間の、適切な場合、隣接する外側フレーム間の溶接シームを囲むように延びなければならないことは、非常に特に好ましい。これらの接続領域は、特に、熱電モジュールが寸法的に厳密であるかまたは安定であることを確実にして、したがって、複数の半導体エレメントの捕えられた配置を確実にする。この種の熱電モジュールには、特に、接続領域とともに交互に積み重ねられて具体化される１０以上の、特に３０以上の、そして好ましくは５０以上のこの種の半導体エレメントがある。この種の大きな、細長い熱電モジュールの場合でさえ、安定した追加的な内壁および／または追加的な外壁を省略することができる。これにより、特に、生産の努力および材料の経費を減らすことを可能にする。
【００１９】
熱電性モジュールの好ましい実施形態によれば、少なくとも内側フレーム部または外側フレーム部は、絶縁被膜を有する。この絶縁被膜は、内側フレーム部の表面および／または外側フレーム部の表面の局所的におよび／または全体にわたって設けられることができて、特に、電流経路の電気的絶縁のために使われる。特に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含む絶縁被膜等は、この目的のために考慮されてよい。
【００２０】
隣接する半導体エレメントの熱電材料間の間隔に対応する中断した内周面において隣接する内側フレーム部間に空きスペースが形成されることは、有利であるとさらに考えられる。特に、これはまた、内側フレーム部を有する半導体エレメントの配置構成が、できるだけ大きい空きスペースが内周面における中断部の領域に生成されるような、そしてこの空きスペースが、特に、内側フレーム部の突出領域によって制限されないようなものであるという事実も表す。
【００２１】
特に、例えば、外側からこの空きスペースにおける外側フレーム部に接続領域を実施するために、最大の利用可能な空きスペースがここで使用されることを、これは、可能にする。したがって、特に溶接装置によって、接続プロセスを通して（空きスペースの）半導体エレメント間に存在するいかなる絶縁にも損傷を与えることなく、外側に位置する外側フレーム部間に溶接シームを形成することができる。組み立て状態において、円周方向の周りに広がって周面により定義され、隣接する外側フレーム部の、隣接する熱電材料の対向する上側および下側の、そして内周面の関連する中断部の、内側において半径方向に位置する空きスペースは、しばしば形成される。円筒状の、管状の熱電モジュールが特定される場合、空きスペースは、その結果、軸と同心的に配置されて、そして隣接する熱電材料間に延びるリングの形状を基本的に有する。
【００２２】
類似の記載は、特に、外側フレーム部にもあてはまり、したがって、外側から内側フレーム部へのアクセスを提供する。半導体エレメント間の空きスペースによって、内側フレーム部間の接続を生成することができる。特に、外側フレーム部が熱電材料の側面と同一平面で終端するという事実によって、これは、達成される。隣接する外側フレーム部は、したがって、次いで、隣接する熱電材料のそれぞれ上側と下側との間の距離に対応する量によって離れて間隔を置かれる。組み立て状態において、円周方向の周りに広がって周面により定義され、隣接する外側フレーム部の、隣接する熱電材料の対向する上側および下側の、そして外周面の関連する中断部の、内側において半径方向に位置する空きスペースは、したがって、対応して形成される。
【００２３】
展開によれば、隣接する内側フレーム部相互間に空きスペースが、少なくとも中断した内周面において形成され、空きスペースは、多孔性の絶縁材で満たされる。これは、特に、隣接する熱電材料間の空きスペース（この空きスペースは、内側から半径方向にアクセス可能である）が空気で（もっぱら）満たされないことを、しかしここでは（加えて）多孔性の絶縁材が設けられることを、意味する。特に、材料は、次いで、隣接する半導体エレメント間に遷移領域に電気的絶縁を提供するのに役立つ。絶縁材は、空きスペースの領域において内周面と外周面との間の重要な温度の均等化を減少するかまたは防止するために同様に役立つことができる。絶縁材の多孔性の実施形態は、特に、非常に軽量であるに至るが、それにもかかわらず熱絶縁物として高い割合の空気を含む能力を有する。特に、例えば、少なくとも９５％の、または少なくとも９９％さえのボリュームのセルから構成される高度に多孔性の中実体は、この種の多孔性の絶縁材として考慮に適する。この場合、絶縁材は、高度に樹枝状の構造、すなわち、開いたセルの形の非常に多数の隙間を有する粒状鎖の分岐を有することが好ましく、その結果、特に、比較的安定したスポンジ−タイプの網目構造が形成されることが好ましい。「エアロゲル」（例えばケイ酸塩を主成分としたもの）の使用は、ここでの非常に特に好適なオプションである。適切な場合、多孔性の絶縁材は、隣接する外側フレーム部間に形成される空きスペースに追加的に配置されることもできる。
【００２４】
少なくとも内周面に設けられる寸法的に不安定な被鞘が、室温で外周面の方を目指すプレロードしている力を有する拡張ホースであることは、有利であるとさらに考えられる。
【００２５】
有利な展開によれば、寸法的に不安定な被鞘／拡張ホースは、プレロードしている力を生成する少なくとも１つのばね要素を有する。ばね要素は、特に、寸法的に不安定な被鞘に接続しているばねリング（ｓｐｒｉｎｇ  ｒｉｎｇ）である。このばねリングは、不安定な被鞘を組み込まむために、圧縮されて、内側ダクトに押しつけられる。少なくとも１つのばねリングのばね作用は、寸法的に不安定な被鞘を熱電モジュールの内周面に取り付ける。特に、少なくとも１つのばねリングは、少なくとも部分的に内側フレーム部上に載り、そして、空きスペースの領域にもっぱら配置される。しかしながら、この種の配置構成（ばねリングが空きスペースの領域にもっぱら載る）は、（非ガス状の）絶縁材が空きスペースに配置される場合、特に有利でありえる。
【００２６】
特に有利な実施形態によれば、寸法的に不安定な被鞘は、少なくとも部分的に、形状記憶合金（ＳＭＡ）または形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）のうちの少なくとも１つから構成される。
【００２７】
寸法的に不安定な被鞘は（または拡張ホースも）、したがって、内周面上に配置されることができて、例えば、加熱によってその原形に変わることができる。この原形は、熱電モジュールの内周面よりも好ましくは大きい。その結果、変形後に、半径方向外方を目指すプレロードしている力は、内周面に生成される。その後の大きい変形にもかかわらず、それらが原形を「記憶する」ことができるという事実によって、形状記憶材料は、特徴づけられる。ここで、「一方向の（記憶）効果」を有する材料は、寸法的に不安定な被鞘のために特に好ましい。この効果は、例えば加熱されるときに、１回限りの変形を含む。形状の反転は、ここでは可能でない。内周面に一旦配置されれば、寸法的に不安定な被鞘が永久に配置されることを確実にすることが、これによりできる。以下の材料のうちの少なくとも１つは、形状記憶合金として適切である：ニッケル−チタン、銅−亜鉛、銅−亜鉛−アルミニウム、銅−アルミニウム−ニッケル、および／または鉄−ニッケル−アルミニウム合金。形状記憶ポリマーは、例えば、熱可塑性材料、熱硬化性材料、相互貫通網目構造、半相互貫通網目構造、および／または混合網目構造を含む。ポリマーは、単一ポリマーまたはポリマーの混合物であることができる。ポリマーは、側鎖または樹枝状の構造要素を有する直鎖または枝分れ熱可塑性エラストマーであることができる。形状記憶ポリマーを形成する好適なポリマー成分は、例えば、ポリホスファゼン、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリエステルアミド、ポリアミノ酸、ポリ無水物、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリアルキレン、ポリアクリルアミド、ポリアルキレン・グリコール、ポリアルキレンオキシド、ポリアルキレン・テレフタレート、ポリオルトエステル、ポリビニルエーテル、ポリビニルエステル、ポリビニルハロゲン化物（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｈｏｌｏｇｅｎｉｄｅ）、ポリエステル、ポリラクチド、ポリグリコリド、ポリシロキサン、ポリウレタン、ポリエーテル、ポリエーテルアミド、ポリエーテルエステルおよびそのコポリマーを含む。適切な場合、材料は、寸法的に不安定な被鞘を形成するために化合することもできる。そして、適切な場合、（柔軟な）接続要素は、異なる材料から構成される別々の部品（例えばリング）を一緒に保持する。寸法的に不安定な被鞘における材料の配合は、特に、動作の間、温度応力を考慮しながら遂行されることができる。
【００２８】
特に、内側フレーム部上の寸法的に不安定な被鞘／拡張ホースのプレロードしている力は、室温（２０℃）で、少なくとも１５Ｎ／ｍｍ２［平方ミリメートル当たりニュートン］、特に少なくとも２０Ｎ／ｍｍ２である。有利な実施形態によれば、内側フレーム部上のプレロードしている力は、寸法的に不安定な被鞘での１５０℃〜２５０℃の温度の少なくとも１０Ｎ／ｍｍ２、好ましくは少なくとも１５Ｎ／ｍｍ２である。
【００２９】
さらに、寸法的に不安定な被鞘と内周面との間に、適切な場合、加えて寸法的に不安定な被鞘と外周面との間に接着剤を配置することは、有利であると考えられる。特に、この接着剤は、寸法的に不安定な被鞘と内周面を形成する内側フレーム部との間に配置される。少なくとも１５０℃の、特に少なくとも２００℃の「低い」温度安定度を有する適切な接着剤が熱電モジュールの「低温側」上に利用されることは、したがって可能である。この場合、最大の温度安定度は、特に２５０℃である。特に、接着剤は、熱伝導性であり、したがって、熱電モジュールを経た熱の流れは、わずかな範囲にだけ影響される。
【００３０】
半導体エレメントの熱電材料が少なくとも部分的にコーティングを有して設けられることは、有利であるとさらに考えられる。この種のコーティングは、特に、熱電材料の組成または構成を永久に確保するために役立つ。特に、コーティングは、熱電材料の両側面または上側および／または下側の全領域にわたって設けられて、その結果、特に好適なオプションとして、熱電材料は、内側フレーム部、外側フレーム部および前記コーティングによって完全に包まれる。
【００３１】
特に、本発明は、車両における、特に自動車両における適用を有する。その結果、内燃機関、排気系統および冷却系統を有し、本明細書に本発明により記載されている複数のモジュールを有する熱電発生器が設けられ、排気系統は、熱電モジュールの外周面に沿って外部的に延び、冷却系統は、熱電モジュールの内周面を通って延びる、自動車両が提案される。換言すれば、これはまた、例えば、熱電モジュールの内周面によって境界づけられるダクトの内部を通って冷却システムの冷却液が流れて、したがって、熱電モジュールの内周面が低温側を表すことを、意味する。これは、熱い排ガスが熱電モジュールの外周面の外側に沿って案内されることを、そしてその結果、外周面が次いで高温側を形成することを、同様に意味する。熱電発生器が管の束の様式で造られて、この場合、一方では、多数の前記熱電モジュールが、次いで冷却システムに接続されて、したがって前記モジュールを通る冷却液の流れがあり、他方では、熱電モジュールが、例えば共通の（間隔を置かれた）ハウジング内に配置されて、したがって排ガスがそれらの周囲を共に流れることを許容することは、特に好ましい。もちろん、冷却液のおよび排ガスの、信頼性の高い発電および電力の伝送を実施するために、対応する電気的端子および導線は、設けられなければならない。
【００３２】
本発明および従来技術は、図面ほ参照して以下でさらに詳細に説明される。図に示す実施形態は好適であるが、しかし、本発明はそれに制限されない点に留意する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、熱電モジュールを形成する複数の半導体エレメントの配列を示す。
【図２】図２は、熱電モジュールの変形実施形態による断面図を示す。
【図３】図３は、半導体エレメントの他の変形実施形態による断面図を示す。
【図４】図４は、熱電発生器を有する車両の線図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１には、本発明により提示される特性を有する熱電モジュールを生産するために、複数の半導体エレメント５がどのようにして組み立てられることができるかの概略図が、ある。まず最初に、すべての半導体エレメント５が、特に外側フレーム部８の、熱電材料６の、および内側フレーム部７の配置および大きさに関して基本的に同一の設計である点にここで留意されなければならない。熱電エレメントの適切な接続または望ましい構造は、次いで、軸３の方向において逆の方向を有して互いに交互に半導体エレメント５を配置することによって達成される。これは、次いで、隣接する半導体エレメント５が、スタッキング・プロセスの間、内側フレーム部７または外側フレーム部８によっていずれかと（だけ）接触することを確実にする。軸３に沿って第１の方向に整列配置されるすべての半導体エレメント５の熱電材料６が同じドーピング（例えばｎ−ドーピング）を有しなければならないことは、ここで特に非常に好ましい。それらの間に軸３に沿って第２の反対方向に整列配置されるそれぞれの半導体エレメント５は、異なるドーピング（例えばｐ−ドーピング）を有する。
【００３５】
ここに示す変形実施形態において、半導体エレメント５は、リング状のディスクの様式で具体化される。そして、熱電材料６は、特に、円環状のディスクの様式で具体化される。熱電材料６の半径方向内周面および外周面は、それぞれ（不可欠な）外側フレーム部８および（不可欠な）内側フレーム部７によってカバーされる。外側フレーム部８が熱電材料６の一方の側に重なり部９を形成し、その一方で、内側フレーム部７が反対側で熱電材料６を越えて重なり部９を形成するというような仕方で、半導体エレメント５は、さらに構成される。この実施形態は、前記重なり部の交互に対向する方向とともに、次いで、隣接する半導体エレメント５が内側フレーム部７を横切って、そして隣接する外側フレーム部８を横切って、接続領域１０を形成することを可能にする。この場合、重なり部９は、一種のリング状のカラーを形成する。そしてそのカラーは、端部で（突き合わせ）接続され得る。この突き合わせ接続領域は、特に溶接シームを囲む材料接続（接着結合、はんだ付け／ろう付け、溶接その他のように、被接続部品が原子のおよび／または分子の力によって一緒に保持される接続は、材料接続と呼ばれる）の形成のために、特に用いられる。
【００３６】
さらに、図１から、このようにして組み立てられる半導体エレメント５は、連続した内周面２または連続した外周面４を形成しないことを、すでに知ることができる。これは、内側フレーム部７間の接続領域１０が形成される断面の外側に、外側フレーム部８が設けられないという事実、およびその逆の事実から、特に認識されることができる。これはまた、（個々の）外側フレーム部８が隣接する半導体エレメント５の両方の隣接する外側フレーム部分８と同時に接触しないことを特に意味する。同様に、半導体エレメント５の（個々の）内側フレーム部７は、隣接する半導体エレメント５の両方のフレーム部７、８とは接触しない。したがって、外側フレーム部８は、外側の（仮想の）外周面４を完全に満たさない。そして同様に、内側フレーム部７は、内周面２全体を満たさない。これに反して、中断部２５は、いずれの場合も形成される。この場合、出発点は、特に、内周面２および外周面４が、軸３から実質的に同じ距離である周面の部分によって記述されることができるということである。例えば、モジュールが円筒状、管状の熱電モジュールである場合、外側フレーム部８および内側フレーム部７は、例えば、同様に円筒状に形成される。その結果、円筒状の内周面２および外周面４が形成されて、それぞれの外側フレーム部８および内側フレーム部７を通って延びる。フレーム部が楕円のまたはポリゴンの周面を形成する場合、例えば、対応する考慮は、作用し始めることができる。熱電モジュールは、次いで、したがってまた、外側フレーム部および内側フレーム部の対応する周囲部分が各々位置する全体として楕円のまたはポリゴンの内周面／外周面を有する。外側フレーム部８および内側フレーム部７が中断した内周面／外周面（すなわち完全には満たされないもの）以外の連続した内周面／外周面を形成しない場合、それは特に、次いで本発明による。
【００３７】
図２は、目下、熱電モジュール１の組み立てられた変形実施形態を示す。ここで、半導体エレメント５は、目下配置されて、突き合わせ接続の様式において軸３に沿って互いに交互に固着される。半導体エレメント５の交互の配置は、内側フレーム部７が互いに載置されて、接続領域１０（例えば溶接シーム）を形成し、その結果、外周面４まで半径方向外向きに延びる空きスペース１１がそれに隣接して形成されるというようなものである。互いに載置される外側フレーム部８から半径方向内向きに延びる空きスペース１１にも、同様にあてはまる。空きスペース１１は、それらが隣接する半導体エレメント５の熱電材料６間の距離１２に対応するというような仕方で、目下構成される。明確にするため、図２の右上領域の１つのエレメント（絶縁材１３）は、示されない。但し、それは、動作のために事実設けられる。
【００３８】
寸法的に不安定な被鞘１４が中断した内周面２に、および中断した外周面４にも設けられることを、ここでさらに知ることができる。例えば、内周面２の被鞘１４は、熱電モジュール１のコンポーネントの配置または準備の後、半導体エレメント５の範囲内でダクト１８に押し込まれることができる。この目的のための適切な候補は、特に、プラスチックフィルム、例えば、ばね要素１６（例えばばねリング）を有する拡張ホースである。ばね要素１６によって、プレロードしている力１５は、内周面２に対して作用する。この拡張ホースまたはこの寸法的に不安定な被鞘１４は、次いで、内周面２の範囲内の領域へと水分が浸入することができないことを確実にする。半導体エレメント５および内側フレーム部７に向けての良好な熱伝導または冷却は、同様に保証される。この目的のために、被鞘１４は、対応して薄くならなければならない。この場合、ばね要素１６は、冷却液の混合をもたらし、層状の境界流れを回避して、したがって熱電モジュール１の効率を上昇させることができる突起２８を形成する。ここで、ばね要素１６は、それらが内側フレーム部７に対して載置されるというような仕方で配置される。接着剤１７は、寸法的に不安定な被鞘１４と内側フレーム部７との間に配置され、その結果、内側フレーム部７と寸法的に不安定な被鞘１４との間に、特に封止接続が提供される。特に、接着剤１７は、寸法的に不安定な被鞘１４と内側フレーム部７との間で熱電モジュール１のそれぞれの端部だけに配置され、その結果、例えば、冷却系統に関する封止接続が、ここに提供される。ここで冷却液は、ダクト１８を通り熱電モジュール１を通って流れる。したがって、内周面２は、低温側２７を形成する。ここで、排ガスは、熱電モジュール１の外周面４に関して流れる。そしてそれは、対応して高温側２９を形成する。
【００３９】
多孔性の絶縁材１３は、開いた空きスペース１１の領域において、目下さらに設けられる。これは、特に、「エアロゲル」である。一方で、所望の大きい温度勾配および、他方で、空きスペース１１の電気的中立は、これにより保証される。多孔性の絶縁材１３が空きスペース１１全体を充填しなければならないことは、ここで好ましい。
【００４０】
図３は、この種の熱電モジュールのための半導体エレメント５の変形実施形態の断面図を示す。ここで、半導体エレメント５は、例えば、円筒状、四辺形、または卵形に作られる。ここで示される変形実施形態の場合、例えば圧縮粉末で構成される実質的にリング状の設計の熱電材料６は、もう一度設けられる。前記熱電材料６が圧縮によって内側フレーム部７におよび／または外側フレーム部８に非積極的に（および／または物質的に）接続していなければならないことは、同様に好ましい。次いで、上向きの大きい重なり部９が外側フレーム部８によって形成され、そして下向きの小さい重なり部９が外側フレーム部８によって形成され、そして大きい重なり部９が内側フレーム部７によって形成される提供が、ここでなされる。このようにして、隣接する半導体エレメントに関する接触領域または空きスペースは、熱電モジュールを形成する準備の間、所望の仕方で構成されることができる。熱電材料６を例えば化学的応力から、熱応力からおよび／または損傷から保護するために、熱電材料６は、内側フレーム部７または外側フレーム部８によってそれがカバーされない境界面上にコーティング１９を有する。この場合、コーティング１９は、外側フレーム部８の、内側フレーム部７のおよび／または熱電材料６自体の肉厚よりも少なくともかなり未満に作られる厚みを有する。例えば、ニッケルまたはモリブデンを含むコーティング１９、特にほぼ完全に前記材料から構成されるコーティングは、このコーティング１９のための材料として考えられてよい。この場合、コーティング１９は、熱電材料６のための拡散障壁として役立つ。例えばその後そこに配置される外管に関して導電性フレーム部８を半径方向外側に向けて絶縁する絶縁被膜２６は、外側フレーム部８上にさらに示される。
【００４１】
最後に、内燃機関２１、排気系統２２および冷却系統２３を有する車両２０の構造もまた、図４に図式的に示される。そのうえ、車両２０は、熱電発生器２４を備える。そしてそれは、本発明により本明細書に示される複数の熱電モジュール１を有する。熱電発生器２４は、高温側がモジュール１の外周面４上に形成され、そして低温側が熱電モジュール１の内周面２上に形成されるというような仕方で、排気系統２２および冷却系統２３とともに造られる。この目的のために、排ガスの少なくとも一部は、それが排気系統２２へと（または内燃機関２１に）フィードバックされる前に排ガスが熱電モジュール１の外側周辺に流れるというような仕方で、熱電発生器２４に向けられる。熱電モジュール１に関して必要な温度プロフィールを形成するために、冷却液は、冷却系統２３によって個々の熱電モジュール１をさらに通過して、最後に冷却系統２３へと（または内燃機関２１に）フィードバックされる。もちろん、冷却系統２３および／または排気系統２２が排ガスおよび／または冷却液のための二次回路とともに具体化されることは、可能である。例えば、追加的な熱交換器、フラップ、触媒その他が排気系統に設けられることは、同様に可能である。例えば適切な集電器、蓄電装置、制御システムなどを介して、熱電発生器２４が電気的に車両２０にも接続していることは、同様に明らかである。
【００４２】
本発明は、したがって、従来技術に関して説明される課題を少なくとも部分的に解決する。特に、熱電モジュールは、生産するのに技術的に単純であり、減少した部品数を有し、所望の適用のために安定であり、そしてさらに、排ガスの熱エネルギーから電気エネルギーを作り出すために高い効率を有するものとして示された。
【符号の説明】
【００４３】
１…熱電モジュール
２…内周面
３…軸
４…外周面
５…半導体エレメント
６…熱電材料
７…内側フレーム部
８…外側フレーム部
９…重なり部
１０…接続領域
１１…空きスペース
１２…距離
１３…絶縁材
１４…被鞘
１５…プレロードしている力
１６…ばね要素
１７…接着剤
１８…ダクト
１９…コーティング
２０…車両
２１…内燃機関
２２…排気系統
２３…冷却系統
２４…熱電発生器
２５…中断部
２６…絶縁被膜
２７…低温側
２８…突起
２９…高温側
【図１】
0006006240.tif 000002
【図２】
0006006240.tif 000003
【図３】
0006006240.tif 000004
【図４】
0006006240.tif 000005