ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА АВТОМОБИЛЯ
THERMOELECTRIC MODULE FOR THERMOELECTRIC AUTOMOTIVE ALTERNATOR

Настоящее изобретение относится к термоэлектрическому модулю, прежде всего для использования в термоэлектрическом генераторе, который используется в автомобиле.
Отработавший газ (ОГ) из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля обладает тепловой энергией, которая с помощью термоэлектрического генератора может быть преобразована в электрическую энергию, например, чтобы наполнить батарею или другой накопитель энергии и/или подводить необходимую энергию прямо на электрические потребители. За счет этого автомобиль эксплуатируется с лучшим энергетическим кпд, и энергия для эксплуатации автомобиля имеется в распоряжении в большем объеме.
Такой термоэлектрический генератор имеет по меньшей мере один термоэлектрический модуль. Термоэлектрические модули содержат, например, по меньшей мере два полупроводниковых элемента (легированных примесью p-типа и n-типа), которые на своей верхней и нижней стороне (обращенных к горячей стороне или же холодной стороне) попеременно снабжены электрически проводящими перемычками и образуют наименьшую термоэлектрическую единицу или же термоэлектрический элемент. Термоэлектрические материалы являются материалами такого вида, что они могут преобразовывать термическую энергию в электрическую энергию (эффект Зеебека) и наоборот (эффект Пельтье). Если по обе стороны полупроводниковых элементов создается перепад температуры, то между концами полупроводниковых элементов образуется потенциал напряжения. Носители заряда на более горячей стороне за счет более высокой температуры усиленно возбуждаются в зону проводимости. В результате созданной при этом разности в концентрации в зоне проводимости носители заряда диффундируют на более холодную сторону полупроводникового элемента, в результате чего возникает разность потенциалов. В термоэлектрическом модуле предпочтительно многочисленные полупроводниковые элементы включены последовательно. Для того чтобы сгенерированные разности потенциалов последовательных полупроводниковых элементов взаимно не уничтожались, всегда попеременно полупроводниковые элементы с разными основными носителями заряда (легированные примесью n-типа и p-типа) приведены в прямой электрический контакт. Посредством подсоединенного нагрузочного сопротивления цепь тока может быть замкнута и, тем самым, отведена электрическая мощность.
Для обеспечения постоянной работоспособности полупроводниковых элементов между электрически проводящими перемычками и термоэлектрическим материалом, как правило, располагается диффузионный барьер, который предотвращает диффундирование содержащегося в электрических перемычках или же в припое материала в термоэлектрический материал и тем самым предотвращает потерю эффективности или же функциональный отказ полупроводникового материала или же термоэлектрического элемента. Конструирование термоэлектрических модулей или же полупроводниковых элементов обычно происходит путем сборки отдельных компонентов термоэлектрического материала, диффузионного барьера, электрически проводящих перемычек, изоляции и, при необходимости, других корпусных элементов в термоэлектрический модуль, который обтекается горячей или же холодной средой. Эта сборка многочисленных отдельных компонентов требует точного согласования отдельных допусков конструктивных деталей и учета теплопередачи от горячей стороны к холодной стороне, а также достаточного контактирования электрически проводящих перемычек, так чтобы мог быть сгенерирован электрический ток через термоэлектрический модуль.
Для расположения таких полупроводниковых элементов в термоэлектрическом модуле предусмотрены регулярные корпуса, стенки и/или опорные трубки для внешнего ограничения модуля, на которых закреплены полупроводниковые элементы. Это приводит, прежде всего, к тому, что при изготовлении возникают высокие требования к допускам, чтобы, с одной стороны, реализовать точное по посадке расположение полупроводниковых элементов относительно электрических соединений, а также относительно положения корпусов. Кроме того, проблематичным является то, что вследствие разных термических нагрузок внешних и внутренних деталей корпуса также должны быть компенсированы разные характеристики расширения этих компонентов без того, чтобы в термоэлектрический материал вводились особенно высокие напряжения. Именно в виду такого изготовления термоэлектрических модулей является желательным иметь возможность легко комбинировать несколько деталей друг с другом, упростить хранение и обращение с ними, а также при сборке получать легкую, но стабильную конструкцию.
Исходя из этого, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично решить указанные со ссылкой на уровень техники проблемы. Прежде всего, должен быть разработан термоэлектрический модуль, который является технически просто изготавливаемым, имеет уменьшенное количество деталей, является стабильным для желаемого применения, и/или, к тому же, имеет высокий кпд для выработки из термической энергии ОГ электрической энергии.
Эти задачи решены с помощью термоэлектрического модуля в соответствии с признаками п.1 формулы изобретения. Другие благоприятные варианты осуществления изобретения указаны в сформулированных как зависимые пунктах формулы изобретения. Указанные в формуле изобретения по отдельности признаки являются комбинируемыми любым, технологически рациональным, образом и показывают дополнительные варианты осуществления изобретения. Описание, прежде всего, в связи с фигурами, поясняет изобретение дальше и приводит дополнительные примеры осуществления изобретения.
Термоэлектрический модуль согласно изобретению имеет внутреннюю периферийную поверхность, ось и внешнюю периферийную поверхность, причем в направлении оси и между внутренней периферийной поверхностью и внешней периферийной поверхностью расположено несколько полупроводниковых элементов с термоэлектрическим материалом и электрически попеременно соединены друг с другом. Для этого, по меньшей мере, часть полупроводниковых элементов имеет по меньшей мере одну внутреннюю рамную деталь и внешнюю рамную деталь. Кроме того, по меньшей мере, внутренние рамные детали образуют прерывистую внутреннюю периферийную поверхность или внешние рамные детали - прерывистую внешнюю периферийную поверхность.
Прежде всего, термоэлектрический модуль представляет собой отдельный узел термоэлектрического генератора. При этом является предпочтительным, что термоэлектрический модуль имеет контакт, с помощью которого такой термоэлектрический модуль, при необходимости, может быть электрически соединен с множеством других термоэлектрических модулей. То есть внутри термоэлектрического модуля реализовано, прежде всего, электрическое соединение или же монтаж всех интегрированных там термоэлектрических элементов. Таким образом, такой термоэлектрический модуль, с одной стороны, подвергается воздействию холодной среды, а с другой стороны - воздействию горячей среды. При этом, прежде всего, важно, что термоэлектрический модуль своей внешней периферийной поверхностью приводится в контакт с холодной средой, а своей внутренней периферийной поверхностью - с горячей средой (прежде всего ОГ) или же обтекается/омывается этими средами. Таким образом, внутренняя периферийная поверхность образует практически так называемую горячую сторону, а внешняя периферийная поверхность - так называемую холодную сторону термоэлектрического модуля.
Кроме того, является предпочтительным, что термоэлектрический модуль выполнен удлиненным, то есть, например, по типу шины или трубки. Даже если особо предпочтительно, чтобы термоэлектрический модуль имел примерно форму цилиндра или же трубки, такая форма не является строго обязательной. Прежде всего, для такого термоэлектрического модуля также могут рассматриваться и овальные или полигональные поперечные сечения. В соответствии с этой формой идентифицируется центральная геометрическая ось, а также внутренняя периферийная поверхность и внешняя периферийная поверхность. При этом внутренняя периферийная поверхность, прежде всего, ограничивает внутренний канал, по которому может протекать горячая среда (ОГ).
Между этой внутренней периферийной поверхностью и внешней периферийной поверхностью расположены термоэлектрические материалы, причем они соответственно приданы так называемым полупроводниковым элементам. Несколько таких полупроводниковых элементов могут быть расположены один на другом в направлении оси, прежде всего, так, что попеременно рядом друг с другом расположены полупроводниковый элемент с термоэлектрическим материалом, легированным примесью p-типа, и полупроводниковый элемент с термоэлектрическим материалом, легированным примесью n-типа. В этом отношении особо предпочтительно, что полупроводниковый элемент с заданным легированием полностью простирается вокруг внутренней периферийной поверхности, например, по типу дисков или колец. Таким образом, этот термоэлектрический материал обрамлен внутренней рамной деталью и/или внешней рамной деталью. Является предпочтительным, что полупроводниковый элемент соответственно имеет одну внутреннюю рамную деталь, а также одну внешнюю рамную деталь, которые внутри и снаружи соответственно полностью окружают термоэлектрический материал. В соответствии с формой полупроводникового элемента рамные детали выполнены, например, по типу колец или же цилиндров.
Является особо предпочтительным, что термоэлектрический материал соединен с рамными деталями с силовым замыканием (запрессован). «Соединения с силовым замыканием» возникают в результате передачи сил. К ним относятся, например, силы сжатия и/или силы трения. Прочность соединения с силовым замыканием обеспечивается чисто действующей силой.
Кроме того, является предпочтительным, что рамные детали одновременно образуют диффузионный барьер для термоэлектрического материала, а также электрический проводник тока. В качестве материала для рамных деталей предпочтение отдается никелю или молибдену, причем они в каждом случае, совершенно особо предпочтительно имеются в материале рамных деталей в количестве по меньшей мере 95% по массе. В качестве термоэлектрического материала считаются подходящими, прежде всего, следующие материалы:
2
3
0,3
3,95
0,05
12
y
4
12
3
8
16
30
2
3
2
n-тип: BiTe; PbTe; BaCoNiSb; Ba(Co,Ni)Sb; CoSb; BaGaGe; LaTe; SiGe; Mg(Si,Sn);
2
3
4
3
4
12
14
11
2
p-тип: (Bi,Sb)ТЕ; ZnSb; TAGS; PbTe; SnTe; CeFeSb; YbMnSb; SiGe; Mg(Si,Sb).
Таким образом, термоэлектрические материалы или же полупроводниковые элементы электрически попеременно соединены друг с другом, так что из-за разности температур между внутренней периферийной поверхностью и внешней периферийной поверхностью образуется ток через термоэлектрический модуль и термоэлектрические материалы. Электрическое соединение может быть реализовано через металлическую перемычку, кабель, припой или тому подобное. Как уже было указано, электрическое соединение предпочтительно реализовано (только) посредством рамной детали.
Таким образом, в варианте термоэлектрического модуля согласно изобретению внутренние рамные детали не образуют замкнутую внутреннюю периферийную поверхность и/или внешние рамные детали не образуют замкнутую внешнюю периферийную поверхность. За счет этого выражается, прежде всего, то, что внутренняя периферийная поверхность и/или внешняя периферийная поверхность выполнена не по типу замкнутой стенки корпуса, а здесь предусмотрены прерывания. Для того случая, если термоэлектрический модуль выполнен, например, по типу трубки имелись бы цилиндрическая внутренняя периферийная поверхность и/или цилиндрическая внешняя периферийная поверхность. Но внутренними рамными деталями образуется только часть цилиндрической внутренней периферийной поверхности, так что часть этой (воображаемой) цилиндрической внутренней периферийной поверхности является свободной или же прерывистой. Это соответственно относится и к (воображаемой) цилиндрической внешней периферийной поверхности, которая тоже не полностью образуется внешними рамными деталями. Хотя здесь это наглядно показано для трубчатого термоэлектрического модуля, это соображение может быть соответственно по смыслу перенесено на другие формы поперечного сечения термоэлектрического модуля. Эти прерывания во внешней периферийной поверхности делают возможным, например, то, что внутренние рамные детали являются достижимыми снаружи и после сборки полупроводниковых элементов для стадий монтажа и/или соединения.
Еще одна причина для предложенных здесь прерываний заключается в том, что термоэлектрический модуль или же штабелированное и/или стыкованное расположение полупроводниковых элементов в области внешней периферийной поверхности или же внутренней периферийной поверхности в направлении оси не является жестким, а прерывания могут быть использованы для того, чтобы компенсировать тепловые расширения и/или производственные допуски. Если, к тому же, каждым (расположенным центрально) полупроводниковым элементом образуется соединительная область в сторону соседнего полупроводникового элемента как в области внутренней периферийной поверхности, так и в области внешней периферийной поверхности (то есть, например, на одном торце через внешнюю рамную деталь, а на другом торце через внутреннюю рамную деталь), может быть получена стабильная по форме конструкция термоэлектрического модуля без того, чтобы для этого потребовался дополнительный корпус для стабилизации или же подпоры этой системы. Прежде всего, можно отказаться от дополнительной внутренней трубы-оболочки и/или внешней трубы-оболочки. Из этого сразу явствует, что это расположение полупроводниковых элементов или же выполнение и соединение соответствующих рамных деталей может быть реализовано технически просто. К тому же, таким образом может быть получено прочное и пригодное для дальнейших стадий обработки, а также для последующего применения в термоэлектрическом генераторе устройство.
Кроме того, в соответствии с изобретением, по меньшей мере, на прерывистой внутренней периферийной поверхности или на прерывистой внешней периферийной поверхности предусмотрена нестабильная по форме оболочка. Расположение такой нестабильной по форме оболочки служит, прежде всего, для того, чтобы предотвратить проникновение нежелательных веществ в промежуточную область между термоэлектрическими материалами или же полупроводниками. Такая нестабильная по форме оболочка напрашивается, прежде всего, на холодной стороне термоэлектрического модуля. Именно для этой цели применения могут быть использованы пластиковые пленки, как например, так называемый усадочный шланг. Так, например, является возможным с помощью нестабильной по форме оболочки не допускать того, чтобы обтекающая внешнюю периферийную поверхность вода вступала в контакт с электрической схемой и/или термоэлектрическим материалом в термоэлектрическом модуле. При этом понятие «нестабильная по форме» оболочка должно выражать, прежде всего, то, что стабильность термоэлектрического модуля находится под влиянием этой оболочки лишь в очень незначительном объеме или же в объеме, которым можно пренебречь. Эта стабильность должна быть достигнута за счет соединительных областей соседних рамных деталей.
В этом отношении считается благоприятным между нестабильной по форме оболочкой и внешней периферийной поверхностью и/или внутренней периферийной поверхностью размещать клей. Прежде всего, этот клей размещается между нестабильной по форме оболочкой и образующей внешнюю периферийную поверхность рамной деталью. Таким образом, на так называемой холодной стороне термоэлектрического модуля может быть использован соответствующий клей, который имеет «малую» термостойкость по меньшей мере 150°C, прежде всего по меньшей мере 200°C. При этом максимальная термостойкость составляет прежде всего 250°C. Клей является, прежде всего, теплопроводным, так что влияние на тепловой поток через термоэлектрический модуль оказывается лишь в незначительной мере.
Кроме того, является возможным то, что в прерывистой внутренней периферийной поверхности между соседними внутренними рамными деталями образована щель, которая перекрыта уплотнением. С учетом того факта, что является предпочтительным, чтобы соответственно внешние рамные детали и соответственно внутренние рамные детали соседних полупроводниковых элементов были соединены друг с другом, при рассмотрении в направлении оси попеременно, соответственно внутренняя периферийная поверхность и внешняя периферийная поверхность прерывается. В области прерывания внешней периферийной поверхности здесь речь идет о свободном пространстве, если имеется прерывание в области внутренней периферийной поверхности, речь идет о щели. При этом щель относится к области промежуточного пространства, которое образовано между противолежащими торцами внутренних рамных деталей. Таким образом, для случая цилиндрического, трубчатого термоэлектрического модуля действует то, что щель имеет, по существу, концентричную оси кольцевую форму. В зависимости от выполнения противолежащих внутренних рамных деталей прерывание во внутренней периферийной поверхности или же щель отличаются по величине. Если предусмотрено, что внутренние рамные детали соседних полупроводниковых элементов здесь не выступают за пределы термоэлектрического материала, то щель имеет, по существу, ширину, такую как промежуток термоэлектрических материалов соседних полупроводниковых элементов. Если, по меньшей мере, на одной стороне полупроводникового элемента внутренняя рамная деталь выполнена выступающей, эта щель становится меньше. Прежде всего, на тот случай, если в пределах внутренней периферийной поверхности через термоэлектрический модуль проводится горячий ОГ, должно быть предотвращено вхождение ОГ через эту щель (и в расположенное за ней свободное пространство) и вызывание там, например, выравнивания температур между внутренней периферийной поверхностью и внешней периферийной поверхностью. Поэтому для этой цели предусмотрено, что щель является уплотненной. Для этого между внутренней рамной деталью одного полупроводникового элемента и внутренней рамной деталью соседнего полупроводникового элемента может быть размещен соответствующий уплотнительный материал. При этом расположение уплотнения, прежде всего, таково, что и при (незначительных) относительных движениях внутренних рамных деталей относительно друг друга и/или при неодинаковом проявлении щелей, тем не менее, при всех условиях эксплуатации является реализованным практически герметичное закрытие щели. Для этого уплотнение может быть выполнено соединенным с внутренними рамными деталями, например, с геометрическим замыканием (соединения с геометрическим замыканием возникают в результате взаимного зацепления, по меньшей мере, двух партнеров по соединению. В результате механического соединения партнеры по соединению не могут разъединиться без передачи усилия или при прерывистой передачи усилия) и/или подвижно. При этом уплотнение, прежде всего, пригодно для того, чтобы выдерживать температуры до 400°C или даже до 700°C. Также уплотнительный материал, предпочтительно, имеет такую структуру, что тепловое расширение соседних полупроводниковых элементов в области щели или же уплотнения может быть компенсировано.
В соответствии с одним усовершенствованием термоэлектрического модуля предлагается, что полупроводниковые элементы содержат термоэлектрический материал, который расположен между внутренней рамной деталью и внешней рамной деталью, причем внутренняя рамная деталь и внешняя рамная деталь в каждом случае с одной стороны выступают за пределы термоэлектрического материала и образуют там жесткую благодаря своей форме соединительную область с соседней рамной деталью. В этой связи является совершенно особо предпочтительным, что все полупроводниковые элементы термоэлектрического модуля (за исключением полупроводниковых элементов в начале и в конце) образуют соответствующие соединительные области с соседними рамными деталями. При этом совершенно особо предпочтительно, всегда внешние рамные детали соединены с внешними рамными деталями, а внутренние рамные детали с внутренними рамными деталями. В этом отношении является благоприятным, если внутренние рамные детали и внешние рамные детали у отдельного полупроводникового элемента выступают в разных направлениях параллельно оси. При этом является возможным, что каждая рамная деталь выступает только относительно одной стороны термоэлектрического материала. Однако является предпочтительным, чтобы по обе стороны термоэлектрического материала дальше всего выступали соответственно один раз внутренняя рамная деталь и один раз внешняя рамная деталь. Такая стабильная по форме соединительная область может быть реализована, например, с помощью паяного соединения, клеевого соединения или сварного соединения. Таким образом, соединительные области рассчитаны, прежде всего, так, что они могут воспринимать возникающие при работе термоэлектрического генератора в автомобиле статические, динамические и термические силы в направлении оси и/или радиально относительно ее. Для этого является совершенно особо предпочтительным, что соединительная область простирается соответственно по всей периферии рамных деталей, например, в виде окружного сварного шва между соседними внешними рамными деталями, а также между соседними внутренними рамными деталями. Таким образом, эти соединительные области обеспечивают, прежде всего, то, что термоэлектрический модуль является жестким по форме или же стабильным, так что имеется неотъемлемое расположение нескольких полупроводниковых элементов. При этом в таком термоэлектрическом модуле укладываются в стопку, прежде всего более 10, прежде всего более 30, а предпочтительно более 50 таких полупроводниковых элементов и попеременно выполняются с соединительными областями. Также и при таких больших, удлиненных термоэлектрических модулях можно отказаться от стабилизирующей дополнительной внутренней стенки и/или дополнительной внешней стенки, за счет чего, прежде всего, могут быть уменьшены затраты на изготовление и расход материала.
2
3
В соответствии с одним предпочтительным вариантом термоэлектрического модуля, по меньшей мере, внутренняя рамная деталь или внешняя рамная деталь имеет изоляционный слой. Этот изоляционный слой может быть предусмотрен участками и/или полностью на поверхности внутренней рамной детали и/или внешней рамной детали, и служит, прежде всего, для электрической изоляции путей тока. Для этого в расчет принимается, прежде всего, изоляционный слой, содержащий оксид алюминия (AlO) или тому подобное.
Кроме того, считается благоприятным то, что в прерывистой внешней периферийной поверхности образовано свободное пространство между соседними внешними рамными деталями, которое соответствует промежутку термоэлектрического материала соседних полупроводниковых элементов. За счет этого, прежде всего, также выражается то, что расположение полупроводниковых элементов с внешними рамными деталями происходит так, что в области прерывания внешней периметрической поверхности создано как можно большее свободное пространство, и это свободное пространство, прежде всего, не ограничено выступающими областями внешних рамных деталей. Это делает возможным, прежде всего, то, что максимально имеющееся в распоряжении свободное пространство здесь может быть использовано для того, чтобы, например, реализовать соединительные области на внутренних рамных деталях в это свободное пространство снаружи. Так, прежде всего, с помощью сварочного устройства через это относительно большое свободное пространство может быть реализован сварной шов между расположенными внутри внутренними рамными деталями. Это достигается, прежде всего, за счет того, что внешние рамные детали завершаются заподлицо с боковой поверхностью термоэлектрического материала. Таким образом, соседние внешние рамные детали удалены друг от друга так далеко, как и промежуток верхней стороны или же нижней стороны соседних термоэлектрических материалов. В собранном состоянии часто образуется проходящее в периферийном направлении окружное свободное пространство, которое определяется лежащей радиально снаружи периферийной поверхностью соседних внутренних рамных деталей, противолежащих верхней стороны и нижней стороны соседних термоэлектрических материалов, а также соответствующего прерывания внешней периферийной поверхности. На тот случай, если задан цилиндрический, трубчатый термоэлектрический модуль, как следствие, свободное пространство имеет, по существу, форму кольца, которое расположено концентрично оси и простирается между соседними термоэлектрическими материалами.
В соответствии с одним усовершенствованием, по меньшей мере, в прерывистой внешней периферийной поверхности между соседними внешними рамными деталями образовано свободное пространство, которое заполнено пористым изоляционным материалом. Это, прежде всего, означает, что доступное радиально снаружи свободное пространство между соседними термоэлектрическими материалами не заполнено (исключительно) воздухом, а что здесь (дополнительно) предусмотрен пористый изоляционный материал. Таким образом, материал служит, прежде всего, для того, чтобы реализовать электрическую изоляцию в переходной области между соседними полупроводниковыми элементами. Изоляционный материал также может служить для того, чтобы уменьшить или предотвратить значительное выравнивание температур между внутренней периферийной поверхностью и внешней периферийной поверхностью в области свободного пространства. Пористая форма изоляционного материала приводит, прежде всего, к тому, что он очень легок и при этом может иметь высокую долю воздуха в качестве термического изолятора. В качестве такого пористого изоляционного материала во внимание принимается, прежде всего, высокопористое твердое тело, в котором, например, по меньшей мере 95% или даже по меньшей мере 99% объема состоит из пор. При этом изоляционный материал, предпочтительно, имеет сильно дендритную структуру, то есть разветвление цепочек частиц с очень многими промежуточными пространствами в форме открытых пор, так что образована, прежде всего, относительно стабильная, губчатая сетчатая структура. Совершенно особо предпочтительным здесь является применение так называемого аэрогеля, например, на основе силиката.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения термоэлектрического модуля полупроводниковые элементы в области прерывистой внутренней периферийной поверхности образуют базирующие элементы для уплотнительного материала. Такой базирующий элемент может быть образован, например, соответствующим свободным пространством, в котором частично или полностью расположен уплотнительный материал, например, посредством прилегания к внешним рамным деталям, термоэлектрическим материалам, а также, при необходимости, (частично) внутренним рамным деталям. Также является возможным, что уплотнительный материал и рамные детали образуют геометрическое замыкание, например, по типу соединения в шпунт и гребень. Этот уплотнительный материал, прежде всего, имеет задачу препятствовать распространению ОГ между термоэлектрическими материалами или даже предотвращать такое распространение, чтобы поддерживать здесь перепад температур между внутренней периферийной поверхностью и внешней периферийной поверхностью, в том числе и во время эксплуатации. Уплотнительный материал также может служить для того, чтобы обеспечивать электрическую изоляцию. Особо предпочтительным является применение слюды (алюминосиликат) или сравнимого материала в качестве уплотнительного материала.
Кроме того, считается благоприятным то, что термоэлектрический материал полупроводниковых элементов, по меньшей мере, частично снабжен покрытием. Такое покрытие служит, прежде всего, для того, чтобы в течение длительного времени обеспечивать состав или же структуру термоэлектрического материала. Покрытие предусмотрено, прежде всего, полностью, на боковой поверхности или же верхней стороне и/или нижней стороне термоэлектрического материала, так чтобы, совершенно особо предпочтительно, термоэлектрический материал был полностью обрамлен внутренней рамной деталью, внешней рамной деталью и этим покрытием.
Изобретение находит применение, прежде всего, в транспортных средствах, прежде всего автомобилях. Поэтому предлагается автомобиль с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), системой выпуска ОГ и системой охлаждения, причем предусмотрен термоэлектрический генератор, который имеет несколько описанных здесь согласно изобретению модулей, причем система выпуска ОГ простирается насквозь через внутреннюю периферийную поверхность термоэлектрического модуля, а система охлаждения простирается снаружи вдоль внешней периферийной поверхности термоэлектрического модуля. Другими словами, это также означает, что, например, охлаждающее средство системы охлаждения проводится снаружи вдоль внешней периферийной поверхности термоэлектрических модулей, так что внешняя периферийная поверхность термоэлектрического модуля представляет собой холодную сторону. Это также означает, что горячий ОГ внутри протекает по каналу, который ограничен внутренней периферийной поверхностью термоэлектрических модулей, так что внутренняя периферийная поверхность тогда представляет собой горячую сторону. Является особо предпочтительным, что термоэлектрический генератор выполнен при этом по типу пучка труб, причем, с одной стороны, несколько этих термоэлектрических модулей тогда так подключены к системе выпуска ОГ, что по ним протекает горячий ОГ, а с другой стороны, термоэлектрические модули расположены, например, в общем (дистанцированном) корпусе, так что они вместе могут обтекаться потоком охлаждающего средства. Само собой разумеется, должны быть предусмотрены соответствующие электрические подключения и линии, чтобы реализовать надежную выработку тока и дальнейшее проведение тока, охлаждающего средства и ОГ.
Далее изобретение, а также уровень техники поясняются более детально на фигурах. Следует указать на то, что показанные на фигурах примеры осуществления являются предпочтительными, однако изобретение ими не ограничено. Схематически показано на:
Фиг.1: расположение нескольких полупроводниковых элементов в один термоэлектрический модуль,
Фиг.2: поперечный разрез через один конструктивный вариант термоэлектрического модуля,
Фиг.3: поперечный разрез через еще один конструктивный вариант полупроводникового элемента,
Фиг.4: поперечный разрез через еще один конструктивный вариант полупроводникового элемента,
Фиг.5: схема для автомобиля с термоэлектрическим генератором.
На фиг.1 схематически показано как может быть собрано несколько полупроводниковых элементов 5, чтобы изготовить термоэлектрический модуль с приведенными согласно изобретению свойствами. При этом необходимо, прежде всего, констатировать, что все полупроводниковые элементы 5 выполнены, по существу, идентичными, прежде всего, что касается расположения или же размеров внешней рамной детали 8, термоэлектрического материала 6 и внутренней рамной детали 7. Соответствующее соединение или же желаемая структура термоэлектрического элемента реализуется посредством того, что полупроводниковые элементы 5 расположены в направлении оси 3 попеременно с противоположными ориентациями относительно друг друга. За счет этого достигается, что соседние полупроводниковые элементы 5 в процессе укладывания в стопку контактируют друг с другом либо (только) внутренними рамными деталями 7, либо внешними рамными деталями 8. При этом является совершенно особо предпочтительным, что термоэлектрические материалы 6 всех полупроводниковых элементов, которые ориентированы в первом направлении вдоль оси 3, имеют легирование примесью того же самого типа (например, n-типа). Расположенные соответственно между ними, ориентированные во втором, противоположном направлении вдоль оси 3 полупроводниковые элементы 5 имеют другое легирование (например, примесью p-типа).
В показанном здесь конструктивном варианте полупроводниковые элементы 5 выполнены в виде кольцеобразных дисков, причем, прежде всего, термоэлектрический материал 6 выполнен в виде кольцевого диска. Расположенная радиально внутри периферийная поверхность и расположенная снаружи периферийная поверхность термоэлектрического материала 6 в каждом случае покрыта (монолитной) внешней рамной деталью 8 или же (монолитной) внутренней рамной деталью 7. Кроме того, полупроводниковые элементы 5 выполнены так, что внешние рамные детали 8 образуют выступ 9 на одной стороне термоэлектрического материала 6, в то время как внутренние рамные детали 7 на противоположной стороне образуют выступ 9 за пределы термоэлектрического материала 6. Это выполнение вместе с попеременно противоположной ориентацией этих выступов позволяет то, что соседние полупроводниковые элементы 5, с одной стороны, через внутренние рамные детали 7 образуют соединительные области 10, а также через соседние внешние рамные детали 8. При этом выступы 9 образуют что-то типа кольцеобразных закраин, которые могут быть собраны с торца (в стык). Эта область стыка служит, прежде всего, для образования сплошных соединений (сплошными соединениями называются соединения, при которых партнеры по соединению удерживаются атомарными и/или молекулярными силами, такими как, например, при склеивании, сварке и т.п.), прежде всего обегающих сварных швов.
Кроме того, уже на фиг.1 видно, что собранные полупроводниковые элементы 5 не образуют замкнутую внутреннюю периферийную поверхность 2 и замкнутую внешнюю периферийную поверхность 4. Это видно, прежде всего, по тому, что в поперечном разрезе, в котором реализована соединительная область 10 внутренних рамных деталей 7, снаружи не предусмотрена внешняя рамная деталь 8 и наоборот. Прежде всего, тем самым имеется в виду, что (отдельная) внешняя рамная деталь 8 одновременно не контактирует с обеими соседними внешними рамными деталями 8 соседних полупроводниковых элементов 5. Также действительно то, что (отдельная) внутренняя рамная деталь 7 полупроводникового элемента 5 не контактирует с обеими рамными деталями 7, 8 соседних полупроводниковых элементов 5. Таким образом, внешние рамные детали 8 не полностью заполняют внешнюю (воображаемую) внешнюю периферийную поверхность 4, также и внутренние рамные детали 7 не заполняют всю внутреннюю периферийную поверхность 2. Напротив, в обоих случаях образованы прерывания 25. При этом, прежде всего, исходят из представления, что внутренняя периферийная поверхность 2 и внешняя периферийная поверхность 4 описываются участками периферийной поверхности, которые имеют, по существу, одно и то же расстояние до оси 3. Если речь идет, например, о цилиндрическом, трубчатом термоэлектрическом модуле, то внешние рамные детали 8 и внутренние рамные детали 7 выполнены, например, тоже цилиндрическими, так что поэтому образованы и цилиндрическая внутренняя периферийная поверхность 2 и внешняя периферийная поверхность 4, которые простираются через соответствующие внешние рамные детали 8 и внутренние рамные детали 7. Соответствующие размышления могут иметь место, например, если рамные детали образуют эллиптическую или полигональную периферийную поверхность, в соответствии с чем термоэлектрический модуль, в целом, также имеет эллиптическую или полигональную внутреннюю периферийную поверхность/внешнюю периферийную поверхность, в которую соответственно включены соответствующие периферийные участки внешних рамных деталей и внутренних рамных деталей. Тогда изобретению соответствует, если внешние рамные детали 8 и внутренние рамные детали 7 образуют не замкнутую, а прерывистую, то есть не совсем заполненную, внутреннюю периферийную поверхность/внешнюю периферийную поверхность.
На фиг.2 показан собранный конструктивный вариант термоэлектрического модуля 1. При этом полупроводниковые элементы 5 расположены встык попеременно вдоль оси 3 и скреплены друг с другом. Попеременное расположение полупроводниковых элементов 5 происходит таким образом, что внутренние рамные детали 7 прилегают друг к другу и образуют соединительную область 10 (например, сварной шов), так что рядом с ней образовано свободное пространство 11, которое простирается радиально наружу вплоть до внешней периферийной поверхности 4. Свободное пространство 11 выполнено так, что оно соответствует промежутку 12 термоэлектрических материалов 6 соседних полупроводниковых элементов 5. Поэтому для наглядности в верхней правой области фиг.2 один элемент (изоляционный материал 13) не показан, который, однако, фактически предусмотрен для эксплуатации.
Кроме того, здесь видно, что на прерывистой внешней периферийной поверхности 4 предусмотрена нестабильная по форме оболочка 14. Она может быть, например, после установки или же приготовления расположенных внутри деталей термоэлектрического модуля 1 накинута снаружи через полупроводниковые элементы 5. Для этого напрашивается, прежде всего, пластиковая пленка, например так называемый усадочный шланг. Этот усадочный шланг или же эта нестабильная по форме оболочка 14 обеспечивает то, что в области в пределах внешней периферийной поверхности 4 не может проникать вода. Равным образом обеспечена хорошая теплопроводность или же охлаждение в направлении полупроводниковых элементов 5 или же внешних рамных деталей 8. Для этого оболочка 14 должна быть выполнена соответственно тонкой. При этом между нестабильной по форме оболочкой 14 и внешними рамными деталями 8 может быть расположен клей, так что, прежде всего, между внешними рамными деталями 8 и нестабильной по форме оболочкой 14 достигается уплотняющее соединение. Прежде всего, клей расположен только на соответствующих концах термоэлектрического модуля 1 между нестабильной по форме оболочкой 14 и внешними рамными деталями 8, так что здесь достигается уплотняющее соединение относительно, например, системы охлаждения.
Помимо этого, в области этих открытых радиально наружу свободных пространств 11 предусмотрен пористый изоляционный материал 13. При этом речь идет, прежде всего, о так называемом аэрогеле. За счет этого, обеспечивается, с одной стороны, желательно большой температурный градиент, а с другой стороны, электрическая нейтральность свободного пространства 11. При этом является предпочтительным, что пористый изоляционный материал 13 заполняет все открывающееся наружу свободное пространство 11.
Помимо этого, в средней области фиг.2 также с опущением одного элемента (уплотнение 16) показана ситуация на прерывистой внутренней периферийной поверхности 2. Там соседние полупроводниковые элементы 5, которые соединены выступающими, ориентированными друг к другу внешними рамными деталями 8, также выполнены с выступающими внутренними рамными деталями 7, причем они не находятся в контакте друг с другом, а образуют между собой щель 15. В эту щель 15 простирается теперь уплотнение 16, которое также частично расположено в свободном пространстве 11, которое простирается между разделенными щелью 15 внутренними рамными деталями 7 и соединенными друг с другом соединительной областью 10 внешними рамными деталями 8. При этом является совершенно особо предпочтительным, что уплотнение 16 находится, по существу, только между соседними внутренними рамными деталями 7, то есть, следовательно, имеет объем, который не больше чем 5-кратная величина щели 15.
На фиг.3 показан поперечный разрез конструктивного варианта полупроводникового элемента 5 для такого термоэлектрического модуля. При этом полупроводниковый элемент 5 выполнен, например, цилиндрическим, четырехугольным или овальным. В представленном здесь конструктивном варианте опять предусмотрен выполненный, по существу, кольцеобразным термоэлектрический материал, который состоит, например, из спрессованного порошка. Также является предпочтительным, что этот термоэлектрический материал 6 с помощью прессования с силовым замыканием (и/или сплошным образом) соединен с внутренней рамной деталью 7 и/или внешней рамной деталью 8. При этом предусмотрено, что в направлении вверх образован большой выступ 9 внешней рамной деталью 8, а вниз малый выступ 9 внешней рамной деталью 8 и большой выступ 9 внутренней рамной деталью 7. Таким образом по желанию могут быть образованы контактные области или же свободные пространства к соседним полупроводниковым элементам при компоновке в термоэлектрический модуль. Для защиты термоэлектрического материала 6, например, от химического воздействия, термической нагрузки и/или от повреждения термоэлектрический материал 6 на граничных поверхностях, на которых он не покрыт внутренней рамной деталью 7 или внешней рамной деталью 8, имеет покрытие 19. При этом покрытие 19 имеет толщину, которая, по меньшей мере, во много раз меньше, чем толщина стенки внешней рамной детали, внутренней рамной детали и/или самого термоэлектрического материала 6. В качестве материала для этого покрытия 19 является подходящим, например, имеющее никель или молибден, прежде всего, почти полностью состоящее из этих материалов покрытие 19. При этом покрытие 19 служит в качестве диффузионного барьера для термоэлектрического материала 6.
На фиг.4 показан еще один конструктивный вариант полупроводникового элемента, причем здесь внутренней рамной деталью 7 образованы базирующие элементы 17 для уплотнительного материала 18. Они также могут быть выполнены в виде окружных закраин, в виде канавки или аналогично подходящего форменного элемента. К тому же, является возможным, что базирующие элементы 17 образованы монолитно с внутренней рамной деталью 7. Указанный уплотнительный материал 18 служит, прежде всего, для уплотнения щели между соседними внутренними рамными деталями 7. Здесь также показан изоляционный слой 26.
Наконец, на фиг.5 еще схематически показана конструкция автомобиля 20, который имеет двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 21, систему 22 выпуска ОГ и систему 23 охлаждения. Кроме того, автомобиль 20 имеет термоэлектрический генератор 24, который имеет несколько представленных здесь согласно изобретению термоэлектрических модулей 1. Термоэлектрический генератор 24 выполнен с системой 22 выпуска ОГ и системой 23 охлаждения так, что на внешней периферийной поверхности 4 модулей 1 реализована холодная сторона, а на внутренней периферийной поверхности 2 термоэлектрического модуля 1 горячая сторона. Для этого, по меньшей мере, часть ОГ проводится через отдельные термоэлектрические модули 1, прежде чем он будет снова подведен в систему 22 выпуска ОГ (или в ДВС 21). Для образования необходимого температурного профиля относительно термоэлектрических модулей 1, к тому же, охлаждающее средство посредством системы 23 охлаждения направляется к термоэлектрическому генератору 24 так, что охлаждающее средство снаружи обтекает термоэлектрические модули 1 и, наконец, подводится в систему 23 охлаждения (или ДВС 21). Само собой разумеется, является возможным, что система 23 охлаждения и/или система 22 выпуска ОГ выполнены с вторичными схемами для ОГ и/или охлаждающего средства. Также является возможным, что, например, в системе выпуска ОГ предусмотрены дополнительные теплообменники, клапаны, катализаторы и т.д. Также является очевидным, что термоэлектрический генератор 24 также соединен с автомобилем 20 электрически, например, через соответствующие потребители тока, электрические аккумуляторы, блоки управления и т.д.
Таким образом, изобретение, по меньшей мере, частично решает указанные со ссылкой на уровень техники проблемы. Прежде всего, был представлен термоэлектрический модуль, который является технически просто изготавливаемым, имеет уменьшенное количество деталей, является стабильным для желаемого применения и, к тому же, имеет высокий кпд, чтобы с помощью тепловой энергии ОГ вырабатывать электрическую энергию.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1
Термоэлектрический модуль
2
Внутренняя периферийная поверхность
3
Ось
4
Внешняя периферийная поверхность
5
Полупроводниковый элемент
6
Термоэлектрический материал
7
Внутренняя рамная деталь
8
Внешняя рамная деталь
9
Выступ
10
Соединительная область
11
Свободное пространство
12
Промежуток
13
Изоляционный материал
14
Оболочка
15
Щель
16
Уплотнение
17
Базирующий элемент
18
Уплотнительный материал
19
Покрытие
20
Автомобиль
21
ДВС
22
Система выпуска ОГ
23
Система охлаждения
24
Термоэлектрический генератор
25
Прерывание
26
Изоляционный слой