(57)【要約】第１の材料厚さ（３）を有する第１の金属箔（２）と、第２の材料厚さ（５）を有する第２の金属箔（４）と、第１の金属箔（２）と第２の金属箔（４）との間の内部空間（６）と、内部空間（６）に面した、第１の金属箔（２）と第２の金属箔（４）上にある電気絶縁コーティング（７）と、固定され、かつ内部空間（６）内において、絶縁コーティング（７）上に、互いに電気的に連結されている、複数の第１の半導体微粒子（８）および第２の半導体微粒子（９）とを少なくとも備える、熱電デバイス（１）。【選択図】図１
2011530824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料厚さ（３）を有する第１の金属箔（２）と、
第２の材料厚さ（５）を有する第２の金属箔（４）と、
前記第１の金属箔（２）と前記第２の金属箔（４）との間にある内部空間（６）と、
前記内部空間（６）に面した、前記第１の金属箔（２）と前記第２の金属箔（４）上にある電気絶縁コーティング（７）と、
固定され、かつ前記内部空間（６）内において、前記絶縁コーティング（７）上に、互いに電気的に連結されている、複数の第１の半導体部品（８）および第２の半導体部品（９）と
を少なくとも備える、熱電デバイス（１）。
【請求項２】
前記第１の金属箔（２）は、合金化構成物質のクロミウムおよびアルミニウムを含む鋼箔であり、３０μｍ〜３００μｍの範囲の第１の材料厚さ（３）を有する、請求項１に記載の熱電デバイス（１）。
【請求項３】
前記第１の金属箔（２）は、前記電気絶縁コーティング（７）から見て外側を向いている外側（１０）上に触媒担体層（１１）を有する、請求項１または請求項２に記載の熱電デバイス（１）。
【請求項４】
前記複数の第１の半導体部品（８）および第２の半導体部品（９）は、前記絶縁コーティング（７）上のはんだ材料（１２）により、互いに電気的に連結される、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱電デバイス（１）。
【請求項５】
前記複数の第１の半導体部品（８）および第２の半導体部品（９）は、１ｍｍ〜５ｍｍの部品高さ（１３）を有する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱電デバイス（１）。
【請求項６】
前記第１の金属箔（２）および前記第２の金属箔（４）は、互いに直接に連結される、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱電デバイス（１）。
【請求項７】
前記内部空間（６）は、前記複数の第１の半導体部品（８）および第２の半導体部品（９）を少なくとも部分的に密封する充填媒体（１４）を有する、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の熱電デバイス（１）。
【請求項８】
前記第１の半導体部品（８）または前記第２の半導体部品（９）のうちの少なくとも一部は、層状の構成を有する、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の熱電デバイス（１）。
【請求項９】
層モジュール（１６）の形での請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の複数の熱電デバイス（１）であって、各々、互いに向き合って配置された、複数の熱電デバイス（１）、を備える熱電装置（１５）であって、前記第１の金属箔（２）が高温チャネル（１７）を画定し、前記第２の金属箔（４）が低温チャネル（１８）を画定する、熱電装置（１５）。
【請求項１０】
内燃エンジン（２０）、排ガスシステム（２１）、水冷回路（２２）、および請求項９に記載の熱電装置（１５）を備える自動車（１９）であって、前記排ガスシステム（２１）は前記高温チャネル（１７）に連結され、前記水冷回路（２２）は前記低温チャネル（１８）に連結される、自動車（１９）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば発電機によって、内燃エンジンの排ガスから、電気エネルギーを生成するためのデバイスに関する。これは、特に、排ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機、すなわち、いわゆる熱電発電装置を意味する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジンからの排ガスは熱エネルギーを有しており、この熱エネルギーは、例えば、バッテリーまたは一部の他のエネルギー保存部を満たすか、または電気的負荷部に対して必要とされるエネルギーを直接に供給するために、熱電発電機または熱電装置により、電気エネルギーに変換可能である。このようにして、エネルギーは、自動車の稼動に対して大いに利用可能である。
【０００３】
このような熱電発電機は、少なくとも複数の熱電変換部品を備える。熱電材料は、熱エネルギーを電気エネルギー（ゼーベック効果）へと効率的に変換でき、かつその逆（ペルチェ効果）もできる種類のものである。「ゼーベック効果」は、熱エネルギーを電気エネルギーへと変換する現象に基づき、かつ熱電エネルギーを生成するために利用される。「ペルチェ効果」はゼーベック効果の逆であり、熱吸収に付随して生じ、異なる材料を介した電流の流れに関連して生じるといった現象である。ペルチェ効果は既に、例えば熱電冷却のために提案されている。
【０００４】
このような熱電変換器の部品は、好ましくは、いわゆる「高温の側」といわゆる「低温の側」との間に置かれる複数の熱電部品を有する。熱電部品は、例えば、それらの上側および下側（「高温の側」と「低温の側」各々に対して）に、導電性のブリッジ部に交互に連結される少なくとも２つの半導体の平行６面体（ｐドープおよびｎドープ）を備える。セラミックプレートまたはセラミックコーティングおよび／または類似の材料は、金属製のブリッジ部を絶縁する役割を果たすので、それゆえ、金属製のブリッジ部の間に配置されることが好ましい。温度勾配が半導体の平行６面体の両側上に提供される場合、電位差を形成する。一方の接触位置において、熱は、この場合、吸収され（「高温の側」）、ここで、一方の側の電子が、次の平行６面体のエネルギーがより高い伝導帯へと移動する。他方で、この電子は、ここで、より低いエネルギーレベルを用いて、他方の側へと再び移動するために、エネルギーを放散できる（「低温の側」）。その結果、電流の流れが、対応する温度勾配を所与として確立できる。
【０００５】
自動車、特に乗用車における応用のために、対応する熱電発電機を提供することが既に企てられている。しかしながら、これらは主に、製造が非常に高価であり、相対的に効率が低いことが特徴付けられている。それゆえ、連続生産に対する適合性を達成することはまだ可能ではない。さらに、公知の熱電発電機は通常、非常に多くの構造的スペースを要求し、それゆえに、現行の排ガスシステムには、困難性が伴ってのみ、一体化可能であると判断することが可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このことを出発点として踏まえ、本発明の目的は、従来技術に鑑みて概説された諸問題を少なくとも部分的に解決することである。特に、本発明は、提供された熱エネルギーを電気エネルギーへと変換することに関して改善された効率性を可能とし、可動式の内燃エンジンの排ガスシステムにおいて変化する圧力を対処し、かつ非常にコンパクトに構築される熱電デバイスを特定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
これらの目的は、特許請求の範囲の請求項１の特徴に従ったデバイスにより達成される。本発明に係るデバイスの有利な構成およびこのデバイスの上位の構造的ユニットへの一体化が、従属する形式において述べられている特許請求の範囲の請求項において特定される。特許請求の範囲の請求項において各々提示される特徴は、任意の技術的に好都合な方法で互いに組み合わされることができ、かつ本発明のさらなる構成を示すことができることに留意するべきである。特に図面に関連した記載は、本発明をさらに明瞭にし、本発明の補助的な例示的実施形態を述べる。
【０００８】
本発明に係る熱電装置は、少なくとも以下を備える。
第１の材料厚さを有する第１の金属箔、
第２の材料厚さを有する第２の金属箔、
上記第１の金属箔と上記第２の金属箔との間にある内部空間、
上記内部空間に面した、上記第１の金属箔と上記第２の金属箔上にある電気絶縁コーティング、
固定され、かつ上記内部空間内において、上記絶縁コーティング上に、互いに電気的に連結されている、複数の第１の半導体部品および第２の半導体部品。
【０００９】
ここで提案された熱電デバイスは、特に、熱電装置または熱電発電機のための層状化されたまたは層状のモジュールを特定する。この場合、半導体部品（微粒子）は、２つの金属箔の間に配置される。この場合、用語「金属箔」は、ここで、非常に薄い金属壁が熱電デバイスに提供され、その結果、半導体部品への熱移転または熱の導入が特に好ましいという事実を特に示すことが意図されている。さらに、この熱電デバイスは、非常に薄いか、または非常に平らな構成であるので、その結果、ここでも、特に限られた空間が、自動車への一体化のために利用可能である。適切な場合には、第１の金属箔および第２の金属箔は両方とも異なる機能を満たし、その結果、例えば、第１の金属箔は、いわゆる「高温側」を形成し、従って、高温にも耐性があるべきである。これとは対照的に、第２の金属箔は「低温側」を形成でき、この場合、例えば、その後の冷却流の圧力に耐えるためにさらに寸法的に安定可能（すなわち、より大きな第２の材料厚さ）である。従って、第１の金属箔および第２の金属箔は別個で具現化されることが好ましい。
【００１０】
２つの金属箔は、例えば挟み込む形で、それらの間に内部空間を形成する。この場合、内部空間は金属箔のみで画定可能であるが、しかしこれは必須ではない。この場合、内部空間は、その中に配置された半導体部品よりも実質的に高くないことが好ましい。
【００１１】
次いで、第１の半導体部品および第２の半導体部品を介して目標とする電流の流れを実現するために、半導体部品が固定されかつ互いに電気的に連結される電気的絶縁コーティングを少なくとも部分的に有する金属箔を提供することが提案される。特に、少なくとも１つの酸化アルミニウム層が絶縁コーティングとして適切である。この場合、コーティングの厚さは、金属箔の第１の材料厚さおよび／または第２の材料厚さ未満、すなわち、例えば、３００μｍ（マイクロメートル）未満であるべきである。電気絶縁コーティングの場合、それが、半導体部品から見て金属箔の外側からの熱移転を過度に妨げないことを保証することに注意が払われるべきである。これはまた、絶縁コーティングが、半導体部品の接触点の領域内にのみ提供されることによって達成可能である。いずれにせよ、そのような電気絶縁コーティングは、十分に不浸透性で具現化されるべきであり、その結果、それは、特定のはんだでの、連結手段に対して不浸透であり、その結果、金属箔および／または隣接する電流経路への導電的な連結が、絶縁コーティングにより確実に回避される。
【００１２】
特に、ｐドープおよびｎドープの半導体材料が、複数の第１の半導体部品および第２の半導体部品を用いてここで形成される熱電素子の熱電対のための導電材料として適切である。この場合、テルル化ビスマス（Ｂｉ２、Ｔｅ３）が利用可能である。さらに、以下の材料を［以下のケルビンでの温度範囲と共に］利用可能である。
ｐタイプ：
ＣｓＢｉ４Ｔｅ６：Ｓｂｌ３  （０．００５％）  ［約２２５Ｋ］
（（Ｓｂ２  Ｔｅ３）７２Ｂｉ２Ｔｅ３）２５（Ｓｂ２  Ｓｅ３）３  ［約３００Ｋ］
Ｔｌ９ＢｉＴｅ６  ［約５００Ｋ］
ＧｅＴｅ１−ｘ（ＡｇＳｂＴｅ２）ｘ  ［約７００Ｋ］
ｎタイプ：
Ｂｉ０．８５  Ｓｂ０．１５  ［約８０Ｋ］
（Ｓｂ２Ｔｅ３）５（Ｂｉ２Ｔｅ３）９０（Ｓｂ２  Ｓｅ３）５  ［約３００Ｋ］
Ｂｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３  ［約４５０Ｋ］
Ｐｂ０．７５Ｓｎ０．２５Ｓｅ  ［約８００Ｋ］
【００１３】
この熱電デバイスの場合、それゆえ、２つの薄い金属箔が、内部空間を画定し、第１の半導体部品および第２の半導体部品への熱移転のために利用される。この場合、第１の半導体部品および第２の半導体部品は、例えば、異なる電気伝導性を有する材料からなる小さな平行６面体および／または小さな細長のロッドの形で提供でき、かつそこにはんだ付け可能である。２つの異なる半導体部品は、各々、それらが連続した回路を提供するように、互いに電気的に連結される。２つの金属箔のうちの１つは、流入する熱流（「高温側」）を吸収し、その一方で他の金属箔は、流出する熱流（「低温側」）を発する。
【００１４】
個々の第１の半導体部品および第２の半導体部品の配置構成および／または相互連結に関連する設計に関して、第１の半導体部品および第２の半導体部品のタイプおよび／または形状および／または位置は、構造上のスペース、熱流量、電流電導等に適合可能であり、それらは、特に、この場合、異なり得る。第１の半導体部品および第２の半導体部品の電気的連結は、少なくとも半導体部品の一部に対して、すなわち好ましくは交互であり、それゆえ、異なる半導体部品によって形成された連続した回路が特に提供される。しかしながら、交互にまたは累積的に、並列回路もまた実現可能であり、その結果、（少なくとも複数の）同じ種類の半導体部品は互いに電気的に連結される。
【００１５】
特定の好適選択が熱電デバイスの構成に与えられ、ここで、第１の金属箔は、合金化構成物質のクロミウムおよびアルミニウムを含む鋼箔であり、３０μｍ〜３００μｍの範囲の第１の材料厚さ（３）を有する。ここで提案されているような合金化構成物質のクロミウムおよびアルミニウムを含む鋼箔は、特に、高温に対して耐性があり、自動車の内燃エンジンから生じる排ガスに対しても腐食耐性がある。これに関連して、特に、鋼箔はまた、例えば金属のハニカム体を有する排ガスの処理において用いられるように、提案される。この場合、以下の組成物を有する両方の金属箔が好ましい：重量約１８〜２５％のクロミウム、重量約３〜６％のアルミニウム、約０．０４〜０．０８％のチタニウム、イットリウム、ジルコニウムの追加物、およびベースとして鉄。原則的に、２ｍｍまでの第１の材料厚さを有する第１の金属箔を具現化することが有利であり得るが、しかし特に５０μｍ〜３００μｍの範囲で好適な選択も与えられる。この場合、首尾良い熱移転、および第２に、熱電デバイスに対して十分な安定性を提供することが同時に可能である。第２の金属箔の第２の材料厚さは、これとは独立して選択可能であるが、さらに、２ｍｍを超えるべきではなく、特に、第１の材料厚さよりも厚くなるべきではない。
【００１６】
第１の金属箔の実施形態に関して、この金属箔は、上記電気絶縁コーティングから見て外側を向いている外側上に触媒担体層を有することがさらに提供可能である。それは、その外側を介して第１の金属箔が、内燃エンジンの排ガスと直接に接触するという効果を特に有することができる。特に、ゼオライト層および／またはいわゆるウォッシュコート（複数／単数）が触媒担体層として適切である。さらに、実際には、触媒担体層は、触媒、特に、触媒担体層内および／またはその上に分散される方法で貴金属を備えることができる。この場合の触媒担体層の層の高さにおいて、後者が、熱電デバイスの内部空間における半導体部品から見て排ガスからの熱移転を過度に妨げないことを保証することに注意が払われるべきである。適切な場合、これは、外側にある触媒を用いて、外部への熱放散の反応を開始することによって補うことができ、その結果、さらなる熱がその場所において放散可能である。
【００１７】
本発明の実施形態によれば、上記複数の第１の半導体部品および第２の半導体部品は、上記絶縁コーティング上のはんだ材料により、互いに電気的に連結されることも提案される。この場合、半導体部品を固定する役割を果たすはんだ付け点が、半導体部品の断面または接触領域を実質的に超えないことが好ましい。このように、特に、例えば、０．８ｍｍ２〜５ｍｍ２、好ましくは、１ｍｍ２〜２ｍｍ２（平方ミリメートル）の領域を有するはんだ付け点が実現されるべきである。はんだ材料は、好ましくは、接着剤が、所望の場所において絶縁コーティング上にプリントされることによって塗布され、金属箔が、これらの特定の接着位置に接着する粉状のはんだと接触することが好ましい。この場合、はんだ材料を粉状にすることが選択されるべきであり、その結果、利用可能とされるはんだ材料の量は、形成されるべき所望のはんだ位置にはちょうど十分である。
【００１８】
さらに、上記複数の第１の半導体部品および第２の半導体部品は、１ｍｍ〜５ｍｍ（ミリメートル）の部品高さを有することが有利とみなされる。これは、第１に、熱電デバイスの非常にコンパクトな構成、そして第２に、内部空間全体に亘って、第１の金属箔と第２の金属箔との間の十分な温度差を保証することをみちびく。１〜２ｍｍの範囲の部品高さは特に好まれる。全ての半導体部品は、同じ部品高さを通常は有する。
【００１９】
さらに、第１の金属箔および第２の金属箔は、互いに直接に連結することもまた提案される。特に、はんだ付けによる連結および／またはろう付けによる連結が、直接の連結として適切である。相互接続は、気密性であり、すなわち、特に、内部空間への排ガスおよび／または酸素が回避されることを保証することに特に留意されるべきである。適切な場合、さらなる機械的締め付け手段および／または密封手段がこの目的のために用いられてもよい。
【００２０】
これに関連して、正確には、複数の第１の半導体部品および第２の半導体部品を少なくとも部分的に密閉する充填媒体を用いて内部空間を具現化することもまた有利であり得る。特に、充填媒体が内部空間全体を満たすことが好ましい。一例によれば、ケイ酸塩等の埋め込み用樹脂が充填剤媒体として適切である。この変形が好ましい場合であっても、例えばキャップ、カバー、スクリーン等、排ガスと半導体部品との間の接触を回避するために、他の構造的手段を実現することも等しく可能である。
【００２１】
さらに、少なくとも１つの層状の構成を有することが有利であると想定される。適切な場合、第１の半導体部品および第２の半導体部品の一部が、または、半導体部品の全部が、層状の形態で構成されることもまた可能である。特に、フィリグリーの熱電デバイスがここで製造可能であるので、材料の金属箔への、例えばプリンティングなどによる、層状の塗布が、特にシンプルで、処理の信頼性が高く、実現可能である。
【００２２】
本発明の１つの展開によれば、層モジュールの形で具現化された、本発明に従って記載されたタイプの複数の熱電デバイスを含む熱電装置が提案され、それらは各々、互いに向き合って配置され、その結果、上記第１の金属箔が高温チャネルを画定し、上記第２の金属箔が低温チャネルを画定する。熱電装置は、次いで、すなわち、特に、複数の積み重なった層を含み、ここで、デバイスの方向は交互であり、その結果、第１の金属箔は高温チャネルを画定し、第２の金属箔は低温チャネルを画定する。それらは常に対となっている。チャネルに関しては、個々のチャネルのみが、個々のデバイスの間に形成可能であるが、そのような複数のチャネルは、例えば、対応する別個の構造により、形成することもまた可能である。また、特に、低温チャネルに関して、後者がさらなるパイプを用いて具現化されることも可能である。
【００２３】
特に好ましくは、ここで記載された種類の内燃エンジン、排ガスシステム、水冷回路、および熱電装置を備える自動車がここで提案され、上記排ガスシステムは上記高温チャネルに連結され、上記水冷回路は上記低温チャネルに連結される。
【００２４】
本発明および技術分野は図面を参照して以下にさらに詳細に説明される。図面は本発明の特に好ましい実施形態の変形を示すが、本発明はそれらに限定されないことは留意されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、熱電デバイスの実施形態の変形の詳細を概略的に示す。
【図２】図２は、自動車における熱電装置の実施形態の変形を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は、部分的な断面における熱電デバイスの実施形態の変形を概略的に示す。熱電デバイス１は、その上部に高温側（黒い矢印で示される）およびその底部に低温側（白い矢印で示される）を有する。
【００２７】
熱電デバイス１は、第１の金属箔２および第２の金属箔４によって、外側を区切られている。第１の金属箔２の外側１０において、触媒担体層１１が抜粋して示され、この触媒担体層は触媒２３で具現化されている。次いで、この高温側上の内部空間６への首尾良い熱転移を可能にするために、第１の金属箔２が、第１の材料厚さ３で具現化され、この厚さは非常に薄く、例えば、５０μｍ〜３００μｍの範囲である。対照的に、第２の金属箔は、ここでは、より大きい第２の材料厚さ５で具現化されており、例えば、１２０μｍ〜２ｍｍの範囲である。第１の金属箔２および第２の金属箔４の両方は、ここで、電気的絶縁コーティング７を有して内部空間６に対して具現化されている。
【００２８】
次いで、熱電対が電気絶縁コーティング２７上に形成される。この目的のために、第１の（ｐドープ）半導体部品（微粒子）８および第２の（ｎドープ）半導体部品（微粒子）９は固定されており、絶縁コーティング７上のはんだ材料１２により、互いに（交互に順に）電気的に連結されている。特にコンパクトな配置構成のために、第１の半導体部品８および半導体部品９は、１ｍｍ〜５ｍｍの部品の高さ１３を有することが提案される。
【００２９】
図２は、熱電デバイスの自動車１９への一体化を概略的に図示することが意図される。この場合、熱電装置１５は、互いに層状となる方法で配置された層モジュール１６の形で熱電デバイス１が具現化されるように、複数の熱電デバイス１で形成される。この場合、層モジュール１６は、各々、互いに向かい合って配置されており、第１の金属箔２は高温チャネル１７を画定し、第２の金属箔４は低温チャネル１８を画定する。次いで、図２は、内燃エンジン２０において生成された高温の排ガスが排ガスシステム２１に沿って流れ、かつこのプロセスにおいて、高温チャネル１７を介して導かれる。熱電デバイスの高温側と低温側との間の大きな温度差を生成するために、これらは、水冷回路２２の冷水を用いて、片側において熱的接触にもたらされる。この場合、水冷回路２２は低温チャネル１８に連結され、ここで水は、排ガスシステムに対して逆流する方向で流れることが好ましい。
【符号の説明】
【００３０】
１  熱電デバイス
２  第１の金属箔
３  第１の材料厚さ
４  第２の金属箔
５  第２の材料厚さ
６  内部空間
７  絶縁コーティング
８  第１の半導体部品（例えばｐドープ）
９  第２の半導体部品（例えばｎドープ）
１０  外側
１１  触媒担体層
１２  はんだ材料
１３  部品高さ
１４  充填媒体
１５  熱電装置
１６  層モジュール
１７  高温チャネル
１８  低温チャネル
１９  自動車
２０  内燃エンジン
２１  排ガスシステム
２２  水冷回路
２３  触媒
【図１】
2011530824.tif 000003
【図２】
2011530824.tif 000004
【国際調査報告】
2011530824.tif 000005
2011530824.tif 000006
2011530824.tif 000007
2011530824.tif 000008
2011530824.tif 000009
2011530824.tif 000010