ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
THERMOELECTRIC DEVICE

Настоящее изобретение относится к термоэлектрическому устройству для выработки электрической энергии с помощью генератора, например, с использованием тепла отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Под таким устройством подразумевается прежде всего генератор для преобразования тепловой энергии ОГ в электрическую энергию, т.е. так называемый термоэлектрический генератор (ТЭГ).
ОГ, образующиеся при работе двигателя автомобиля, обладают тепловой энергией, которую можно преобразовывать с помощью термоэлектрического генератора, соответственно аппарата в электроэнергию, например, для зарядки аккумуляторной батареи либо иного аккумулятора энергии или для непосредственного подвода необходимой электроэнергии ее потребителям. Таким путем удается повысить энергетический коэффициент полезного действия, с которым работает автомобиль, и увеличить количество электроэнергии, необходимой для обеспечения его работы.
Подобный ТЭГ имеет по меньшей мере несколько термоэлектрических преобразовательных элементов. К термоэлектрическим относятся материалы, которые способны эффективно преобразовывать тепловую энергию в электрическую (эффект Зеебека) и наоборот (эффект Пельтье). Эффект Зеебека основан на явлении преобразования тепловой энергии в электрическую и используется для выработки термоэлектрический энергии. Эффект Пельтье является обратным по отношению к эффекту Зеебека и представляет собой явление, основанное на поглощении теплоты и обусловленное прохождением тока через различные материалы. Эффект Пельтье уже было предложено использовать, например, для термоэлектрического охлаждения.
Подобные термоэлектрические преобразовательные элементы преимущественно имеют множество термоэлектрических элементов, расположенных между так называемой "горячей стороной" и так называемой "холодной стороной". Термоэлектрические элементы имеют, например, по меньшей мере два полупроводниковых параллелепипеда (легированных примесями р- и n-типа), которые попеременно со своих верхней и нижней сторон (с "горячей стороны", соответственно с "холодной стороны") снабжены электропроводными перемычками. Для изоляции металлических перемычек используются керамические пластинки, соответственно керамические покрытия и/или аналогичные материалы, которые тем самым преимущественно расположены между металлическими перемычками. При создании перепада температур между обеими сторонами полупроводниковых параллелепипедов возникает разность электрических потенциалов. С горячей стороны первого полупроводникового параллелепипеда при этом поглощается теплота, а электроны на одной из сторон при этом переходят в расположенную на энергетически более высоком уровне зону проводимости следующего полупроводникового параллелепипеда. С холодной стороны электроны могут отдавать энергию и попадать на следующий полупроводниковый параллелепипед с более низким уровнем энергии. Таким путем при соответствующем перепаде температуры может обеспечиваться протекание электрического тока.
Ранее уже предпринимались попытки по разработке соответствующих термоэлектрических генераторов для применения на автомобилях, прежде всего легковых автомобилях. Однако такие генераторы по большей части оказывались очень дорогими в изготовлении и обладали сравнительно низким коэффициентом полезного действия. По этим причинам еще не удалось достичь пригодности подобных генераторов к серийному производству. Помимо этого было установлено, что известные ТЭГ по большей части имеют слишком большие размеры и поэтому требуют для их размещения очень большого монтажного пространства, в связи с чем их интеграция в существующие системы выпуска ОГ возможна лишь с трудом.
Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача по меньше мере частично решить рассмотренные выше в описании уровня техники проблемы. Задача изобретения состояла прежде всего в разработке термоэлектрического устройства, которое было бы пригодно для применения в разнообразных областях (универсального применения) и обладало бы более высоким коэффициентом полезного действия касательно преобразования подведенной тепловой энергии в электрическую. При этом такое термоэлектрическое устройство должно допускать возможность максимально гибкого его согласования с различными требованиями к его мощности.
Указанные задачи решаются с помощью устройства, заявленного в п.1 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты выполнения предлагаемого в изобретении устройства, а также возможности по его интеграции в конструктивные узлы более высокого уровня представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Необходимо отметить, что представленные по отдельности в пунктах формулы изобретения отличительные особенности изобретения могут использоваться в любом технически целесообразном сочетании друг с другом и могут образовывать другие варианты осуществления изобретения. Изобретение более подробно рассмотрено в последующем описании, прежде всего во взаимосвязи с прилагаемыми к нему чертежами, в котором представлены также другие варианты осуществления изобретения.
Предлагаемое в изобретении термоэлектрическое устройство по меньшей мере имеет:
- по меньшей мере один модуль с первым несущим слоем и вторым несущим слоем,
- промежуточное пространство между первым несущим слоем и вторым несущим слоем,
- электроизолирующий слой на первом несущем слое и втором несущем слое с их обращенной к промежуточному пространству стороны и
- множество легированных примесями p-типа и легированных примесями n-типа полупроводниковых элементов, которые расположены в чередующейся последовательности в промежуточном пространстве между электроизолирующими слоями и попеременно электрически соединены между собой.
Предлагаемое в изобретении термоэлектрическое устройство прежде всего имеет слоистую, соответственно многослойную конструкцию, составленную прежде всего из множества (одинаковых) модулей с образованием термоэлектрического генератора. При этом прежде всего несколько соединенных между собой модулей образуют термоэлектрическое устройство. Такое термоэлектрическое устройство при этом прежде всего расположено в корпусе, в котором могут также совместно располагаться несколько термоэлектрических устройств в виде блока или узла с образованием термоэлектрического генератора. Дополнительно к модулю термоэлектрическое устройство имеет прежде всего уплотнительные средства, герметично отделяющие промежуточное пространство от окружающего пространства, а также соединительные элементы для образования электрической цепи, по которой вырабатываемый в модуле электрической ток может подводиться к аккумулятору или к потребителю электрической энергии, имеющемуся на автомобиле.
Полупроводниковые элементы прежде всего расположены рядом друг с другом между двумя несущими слоями, которые прежде всего образуют внешнее ограничение термоэлектрического устройства. Наружные несущие слои при этом в первую очередь образуют теплопередающий слой, который обеспечивает теплопередачу от термоэлектрического устройства к обтекающим его текучим средам. При этом один (первый или второй) несущий слой находится в теплопроводном контакте с так называемой горячей стороной, прежде всего с текучей средой, имеющей большую температуру, а другой (второй или первый) несущий слой находится в теплопроводном контакте с холодной стороной, прежде всего с текучей средой, имеющей меньшую температуру. В результате на термоэлектрическом устройстве создается перепад температур между несущими слоями, благодаря которому вследствие эффекта Зеебека вырабатывается электрической ток, протекающий через попеременно соединенные между собой полупроводниковые элементы. Несущие слои прежде всего по меньшей мере частично выполнены из стали и/или алюминия.
Между несущими слоями предусмотрено промежуточное пространство, в котором расположены полупроводниковые элементы. В соответствии с этим такое промежуточное пространство прежде всего имеет только одну протяженность, определяемую в основном лишь высотой и количеством полупроводниковых элементов, а также их расположением.
Для обеспечения целенаправленного протекания электрического тока через легированные примесями p-типа и легированные примесями n-типа полупроводниковые элементы несущие слои по меньшей мере частично снабжены электроизолирующим слоем, на котором зафиксированы и электрически соединены между собой полупроводниковые элементы. В качестве такого электроизолирующего слоя предлагается использовать прежде всего алюмооксидный слой. При выборе параметров электроизолирующего слоя следует учитывать, что он не должен излишне препятствовать теплопередаче от наружной стороны несущего слоя к полупроводниковым элементам. Соблюдение подобного требования прежде всего можно также обеспечить, предусматривая электроизолирующий слой фактически только в зоне контактной поверхности между полупроводниковыми элементами и несущим слоем. Однако при любых условиях подобный электроизолирующий слой следует выполнять настолько плотным, чтобы он был непроницаемым для соединительного средства, электрически соединяющего между собой полупроводниковые элементы, и надежно препятствовал образованию электропроводных соединений с несущим слоем и/или с соседними токовыми цепями. Первый и второй несущие слои прежде всего можно снабжать разными электроизолирующими слоями.
2
3
В качестве токопроводящих материалов для легированных примесями р-типа и легированных примесями n-типа полупроводниковых элементов можно использовать, например, теллурит висмута (ВiТе). Помимо этого можно использовать следующие материалы [вплоть до следующих максимальных температур, указанных в °С]:
Материалы с примесями n-типа: Вi<sub>2</sub>Те<sub>3</sub>
[порядка 250°С]
PbTe
[порядка 500°С]
Ba<sub>0,3</sub>Co<sub>3,95</sub>Ni<sub>0,05</sub>Sb<sub>12</sub>
[порядка 600°С]
Ba<sub>у</sub>(Co,Ni)<sub>4</sub>Sb<sub>12</sub>
[порядка 600°С]
CoSb<sub>3</sub>
[порядка 700°С]
Ba<sub>8</sub>Ga<sub>16</sub>Ge<sub>30</sub>
[порядка 850°С]
La<sub>2</sub>Te<sub>3</sub>
[порядка 1100°С]
SiGe
[порядка 1000°С]
Mg<sub>2</sub>(Si,Sn)
[порядка 700°С]
Материалы с примесями p-типа: (Bi,Sb)<sub>2</sub>Te<sub>3</sub>
[порядка 250°С]
Zn<sub>4</sub>Sb<sub>3</sub>
[порядка 500°С]
TAGS
[порядка 600°С]
PbTe
[порядка 600°С]
SnTe
[порядка 700°С]
CeFe<sub>4</sub>Sb<sub>12</sub>
[порядка 850°С]
Yb<sub>14</sub>MnSb<sub>11</sub>
[порядка 1100°С]
SiGe
[порядка 1000°С]
Mg<sub>2</sub>(Si,Sb)
[порядка 700°С]
Таким образом, в подобном термоэлектрическом устройстве для ограничения промежуточного пространства и для теплопередачи к полупроводниковым элементам используются два несущих слоя. Полупроводниковые элементы можно при этом выполнять, например, в виде небольших прямоугольных параллелепипедов и/или небольших продолговатых столбиков из обладающего разной электрической проводимостью материала. По два разных полупроводниковых элемента (легированных примесями р-типа и легированных примесями n-типа) электрически соединены между собой таким образом, что совместно они образуют последовательное соединение. Один из обоих несущих слоев воспринимает входящий тепловой поток (горячая сторона), тогда как другой несущий слой отдает исходящий тепловой поток (холодная сторона). При разработке схемы расположения, соответственно схемы соединения отдельных полупроводниковых элементов их тип и/или форму и/или положение можно согласовывать с доступным монтажным пространством, особенностями теплового потока, особенностями токопрохождения и иными параметрами, при этом они могут различаться прежде всего и в данном случае. Термоэлектрическое устройство прежде всего имеет одну или несколько групп соединенных между собой по последовательной схеме полупроводниковых элементов, при этом такие группы полупроводниковых элементов имеют по независимой от других групп электрической цепи или соединены между собой по параллельной электрической схеме.
В одном из вариантов выполнения предлагаемого в изобретении термоэлектрического устройства материал по меньшей мере одного несущего слоя содержит или представляет собой пластмассу (полимер). В данном случае можно прежде всего использовать пластмассы, которые для повышения их теплопроводности могут также иметь металлические включения. Речь при этом прежде всего идет о пластмассах, которые пригодны для работы в интервале температур от 200 до 390°С и которые обладают высокой выносливостью. В предпочтительном варианте пластмассы могут иметь на своей наружной (обращенной от промежуточного пространства) поверхности покрытие, прежде всего стойкое к коррозионному действию среды, обтекающей несущий слой. Применение пластмассы в данном случае предпочтительно постольку, поскольку пластмассы имеют невысокую стоимость, допускают возможность их гибкого получения, позволяют гибко согласовывать их свойства с разнообразными требованиями и позволяют получать и перерабатывать их самыми разнообразными технологическими методами. В качестве пластмассы для выполнения несущих слоев в рассматриваемом варианте предлагается прежде всего использовать полиэфирокетоны (например, полиэфирокетонкетон), поскольку такие полимеры обладают высокой термостойкостью, имеют температуру плавления выше 300°С и одновременно с этим стойки к действию многих органических и неорганических химических веществ. Поэтому их прежде всего и без дополнительного покрытия целесообразно использовать в качестве материала несущих слоев.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении термоэлектрического устройства по меньшей мере часть полупроводниковых элементов выполнена кольцеобразной формы и наружной боковой поверхностью и внутренней боковой поверхностью соединена с электроизолирующим слоем. Термин "кольцеобразный" в данном контексте означает, что полупроводниковый элемент образует по меньшей мере часть кольца. Полупроводниковые элементы подобной формы предлагается прежде всего использовать в по меньшей мере частично трубчатых термоэлектрических устройствах. Несущие слои при этом образуют наружную и внутреннюю боковые поверхности трубы с образованием в результате стенки в виде своего рода трубной системы типа "труба в трубе", в промежуточном пространстве между которыми расположены полупроводниковые элементы. В термоэлектрическом устройстве подобной конструкции по образованному или ограниченному внутренней боковой поверхностью трубы каналу проходит одна текучая среда, а наружную боковую поверхность обтекает другая текучая среда, что обеспечивает возможность создания перепада температур по толщине стенки в виде указанной трубной системы типа "труба в трубе". Полупроводниковые элементы расположены внутри стенки этой трубной системы типа "труба в трубе" и прежде всего выполнены замкнутыми или сплошными в окружном направлении в виде кольца. Полупроводниковые элементы прежде всего могут иметь также форму кольцевого сегмента. В этом случае полупроводниковые элементы также расположены рядом друг с другом, соответственно один за другим вдоль осевого направления трубы. Выполнение полупроводниковых элементов кольцеобразной формы, соответственно в форме кольцевого сегмента предпочтительно постольку, поскольку между расположенными рядом друг с другом цилиндрическими или имеющими форму параллелепипеда полупроводниковыми элементами на изогнутой поверхности образуются зазоры, расширяющиеся в радиальном направлении, вследствие чего объем промежуточного пространства используется в меньшей степени. Кольцеобразная форма может при этом прежде всего соответствовать форме круглого кольца, однако полупроводниковые элементы можно также выполнять овальной формы. В отношении схемы соединения полупроводниковых элементов следует отметить, что полупроводниковые элементы в данном случае можно также выполнять, например, в форме полуколец, которые в этом случае электрически соединены между собой в шахматном порядке/попеременно.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении термоэлектрического устройства легированные примесями р-типа и легированные примесями n-типа полупроводниковые элементы электрически соединены между собой на электроизолирующем слое припоем, при этом соблюдается по меньшей мере одно из следующих условий:
а) легированные примесями p-типа и легированные примесями n-типа полупроводниковые элементы имеют равновеликие токопередающие площадки,
б) припой имеет толщину при соотношении между высотой полупроводниковых элементов и этой толщиной припоя более 5:1 и
в) припой представляет собой элемент из группы, включающей активный припой и серебряный припой.
При этом предпочтительно, чтобы служащие для фиксации полупроводниковых элементов точки спая, соответственно площадки спая не выходили за пределы контактной поверхности, по которой полупроводниковые элементы контактируют с электроизолирующим слоем. С этой целью припой предпочтительно наносить, сначала нанося методом печати на электроизолирующий слой в заданных местах адгезив, а затем вводя несущие слои в контакт с порошковым припоем, который остается прилипшим к ним в таких заданных местах, покрытых адгезивом. Припой следует при этом выбирать с такой зернистостью, чтобы он оставался на несущих слоях точно в таком количестве, при котором обеспечивается образование припоем контактной поверхности требуемых размеров. При этом полупроводниковые элементы имеют на каждой из своих контактных поверхностей равновеликие токопередающие площадки, размеры которых определяются снабженными припоем участками контактных поверхностей полупроводникового элемента. Благодаря этому между полупроводниковыми элементами и снабженными припоем участками, выполняющими функцию токопроводящих дорожек, обеспечивается наличие по существу идентичных по своей величине переходных сопротивлений. Равновеликие токопередающие площадки следует предусматривать прежде всего у полупроводниковых элементов, выполненных кольцеобразной формы или в форме кольцевого сегмента, а также у полупроводниковых элементов с разновеликими контактными поверхностями. При этом наружная боковая поверхность полупроводникового элемента обычно больше его внутренней боковой поверхности. В соответствии с этим наружные токопередающие площадки можно выполнять уже по сравнению с токопроводящими площадками, расположенными на внутренней боковой поверхности полупроводниковых элементов. Подобное выполнение токопроводящих площадок предпочтительно прежде всего с учетом технологических особенностей процесса изготовления термоэлектрического устройства, у которого положение токопроводящих дорожек на одном несущем слое должно быть согласовано с положением токопроводящих дорожек на другом несущем слое таким образом, чтобы обеспечивалось попеременное электрическое соединение полупроводниковых элементов между собой и тем самым обеспечивалась возможность их соединения по последовательной схеме во всем термоэлектрическом устройстве. Поэтому ставшее возможным благодаря этому уменьшение ширины токопередающих площадок позволяет увеличить производственные допуски при изготовлении токопроводящих дорожек путем нанесения припоя и при сборке отдельных компонентов. Тем самым удается значительно сократить процент производственного брака и производственные расходы при изготовлении предлагаемого в изобретении термоэлектрического устройства.
Используемые полупроводниковые элементы в предпочтительном варианте имеют высоту от 1 до 5 мм. При такой высоте полупроводниковых элементов термоэлектрическое устройство имеет особо компактную конструкцию, а также обеспечивается создание достаточной разности температур между несущими слоями по протяженности разделяющего их промежуточного пространства.
Обычно все полупроводниковые элементы выполняют одинаковой высоты. При этом соотношение между высотой полупроводниковых элементов и толщиной припоя прежде всего превышает 10:1, предпочтительно превышает 20:1, особенно предпочтительно превышает 50:1. Ограничение толщины припоя также способствует повышению компактности конструкции термоэлектрического устройства.
Припой предпочтительно выбирать из группы, включающей активный припой и серебряный припой, и прежде всего среди следующих материалов для пайки в соответствии с европейским стандартом EN 1044:1999: AG301, AG302, AG303, AG304, AG305, AG306, AG307, AG308, AG309, AG351, AG401, AG402, AG403, AG501, AG502, AG503, AG101, AG102, AG103, AG104, AG105, AG106, AG107, AG108, AG201, AG202, AG203, AG204, AG205, AG206, AG207, AG208. Очевидно, что при необходимости с учетом конкретных условий применения термоэлектрического устройства можно использовать припой и иных жаростойких типов, согласованных с полупроводниковыми материалами.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении термоэлектрического устройства между первым несущим слоем и полупроводниковым элементом и между вторым несущим слоем и полупроводниковым элементом имеются разновеликие первая, соответственно вторая контактные поверхности при соотношении между площадью первой контактной поверхности и площадью второй контактной поверхности, достигающем 1:3. При этом под первой контактной поверхностью и второй контактной поверхностью подразумеваются те поверхности полупроводникового элемента, которыми он через электроизолирующий слой или через припой соединен с первым, соответственно вторым несущим слоем. Выполнение первой и второй контактных поверхностей разными, соответственно разновеликими также позволяет повысить производительность при изготовлении термоэлектрического устройства. При таком выполнении первой и второй контактных поверхностей увеличивается площадь предусмотренной для контактирования через припой поверхности полупроводникового элемента, что позволяет расширить пределы назначаемых производственных допусков и в соответствии с этим обеспечить надежное и бездефектное изготовление термоэлектрического устройства. При этом прежде всего при выполнении модуля трубчатым полупроводниковый элемент имеет наружную контактную поверхность большей площади. В соответствии с этим полупроводниковые элементы могут иметь расширяющуюся (радиально) наружу форму (прежде всего конусность), вследствие которой образуется контактная поверхность с такой отличной от другой контактной поверхности площадью. Помимо этого соблюдение подобного условия можно обеспечить путем придания полупроводниковому элементу кольцеобразной формы, соответственно формы кольцевого сегмента. Контактная поверхность большей площади обычно расположена со стороны обтекаемого газовым потоком несущего слоя. Первую контактную поверхность следует выполнять большей площади по сравнению со второй контактной поверхностью при размещении термоэлектрического устройства в автомобиле в положении, в котором первый несущий слой соединен с горячей стороной и тем самым контактирует с обтекающим его потоком ОГ, а второй несущий слой соединен с холодной стороной и контактирует прежде всего с обтекающей его охлаждающей жидкостью. Подобное выполнение контактных поверхностей обусловлено наличием более высокого сопротивления теплопередачи у обтекаемого газовым потоком первого несущего слоя. Обтекаемый же охлаждающей жидкостью второй несущий слой способен лучше проводить тепло, и поэтому с обращенной ко второму несущему слою стороны вторую контактную поверхность можно выполнять меньшей площади.
В следующем предпочтительном варианте полезный объем модуля, определяемый как отношение суммы объемов полупроводниковых элементов в модуле к его замкнутому объему, превышает 90%. Замкнутый объем модуля определяется прежде всего наружными несущими слоями и возможными другими стенками термоэлектрического устройства, соответственно модуля. Поэтому промежуточное пространство между несущими слоями предпочтительно должно быть максимально полно заполнено полупроводниковыми элементами. По этой причине полезный объем модуля должен прежде всего превышать 95%, а предпочтительно превышать 98%. Соблюдение подобного требования обеспечивается прежде всего при использовании кольцеобразных полупроводниковых элементов, которые в окружном направлении не имеют никаких плоскостей или поверхностей раздела и в соответствии с этим обеспечивают наличие большого полезного объема у термоэлектрического устройства, соответственно модуля.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении термоэлектрического устройства полупроводниковые элементы имеют на своих обращенных друг к другу боковых поверхностях электрическую изоляцию, которая образована прежде всего слоем слюды или керамики. Слюдой называют материалы из группы слоистых силикатов. При этом зазоры между полупроводниковыми элементами заполняют слюдой или керамикой в виде заполнителя или в виде покрытия. В предпочтительном варианте такую изоляцию можно наносить на полупроводниковые элементы еще до начала процесса сборки термоэлектрического устройства, благодаря чему полупроводниковые элементы могут располагаться на несущих слоях, соответственно на электроизолирующих слоях с высокой степенью упаковки и опираются друг на друга. Тем самым отпадает необходимость предусматривать между полупроводниковыми элементами известный из уровня техники воздушный зазор, отрегулировать ширину которого на требуемую величину с технологической точки зрения можно лишь с трудом. Согласно же изобретению изоляцию, отделяющую полупроводниковые элементы друг от друга, образует отдельный слой таким образом, что полупроводниковые элементы оказываются электрически соединены между собой по последовательной схеме исключительно припоем. При этом изоляцию между боковыми поверхностями полупроводниковых элементов предпочтительно выполнять шириной менее 50 мкм, особенно предпочтительно менее 20 мкм, наиболее предпочтительно менее 5 мкм. Подобное решение также способствует повышению компактности конструкции термоэлектрического устройства и упрощению его изготовления.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении термоэлектрического устройства коэффициент использования площади модуля, определяемый как отношение покрытой полупроводниковыми элементами площади первых и вторых несущих слоев к их общей покрываемой полупроводниковыми элементами площади, превышает 85%. Указанные параметры также прежде всего способствуют приданию термоэлектрическому устройству, соответственно модулю максимально возможной компактности. Покрываемая общая площадь первых и вторых несущих слоев при этом ограничивается расположенными на наружных краях (крайними) полупроводниковыми элементами и учитывает тем самым наличие электроизолирующих зазоров между полупроводниковыми элементами. Коэффициент использования площади модуля должен прежде всего превышать 95%, а предпочтительно превышать 98%.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении термоэлектрического устройства электроизолирующий слой между по меньшей мере одним из несущих слоев и полупроводниковым элементом имеет толщину менее 70 мкм. При этом электроизолирующий слой следует выполнять толщиной прежде всего менее 50 мкм, особенно предпочтительно менее 20 мкм.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении термоэлектрического устройства соотношение между высотой полупроводниковых элементов и толщиной электроизолирующего слоя превышает 8:1, предпочтительно превышает 80:1, особенно предпочтительно превышает 100:1. Этот параметр также указывает на высокую степень использования имеющегося объема термоэлектрического устройства для размещения полупроводниковых элементов и позволяет в результате получить термоэлектрическое устройство, обладающее максимально возможной эффективностью.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении термоэлектрического устройства первый несущий слой имеет толщину от 20 до 500 мкм, предпочтительно от 40 до 250 мкм. При этом первый несущий слой при работе термоэлектрического устройства расположен прежде всего с горячей стороны.
В еще одном варианте прежде всего только первый несущий слой имеет по меньшей мере один осевой компенсационный элемент, компенсирующий тепловое расширение модуля в осевом направлении. Такой осевой компенсационный элемент может быть выполнен, например, по типу сильфона или в виде волнообразного или гофрообразного выгиба, благодаря чему в этом месте обеспечивается возможность сжатия (укорачивания), соответственно растяжения (удлинения) модуля и тем самым обеспечивается компенсация обусловленных наличием разности температур различий между величинами теплового расширения первого несущего слоя (горячая сторона) и второго несущего слоя (холодная сторона).
В одном из вариантов второй несущий слой предлагается прежде всего выполнять со второй толщиной в пределах от 200 мкм до 1,5 мм, главным образом от 400 мкм до 1,2 мм. Благодаря выполнению второго несущего слоя с такой толщиной, значительно превышающей толщину первого несущего слоя, обеспечивается формоустойчисовть термоэлектрического устройства, соответственно модуля.
Особенно предпочтительно термоэлектрическое устройство, которое по меньшей мере имеет по меньшей мере один модуль с первым несущим слоем и вторым несущим слоем, промежуточное пространство между первым несущим слоем и вторым несущим слоем, электроизолирующий слой на первом несущем слое и втором несущем слое с их обращенной к промежуточному пространству стороны, множество легированных примесями p-типа и легированных примесями n-типа полупроводниковых элементов, которые расположены в чередующейся последовательности в промежуточном пространстве между электроизолирующими слоями и попеременно электрически соединены между собой, и которое при этом характеризуется по меньшей мере одним из следующих детально рассмотренных выше признаков:
1) полезный объем модуля, определяемый отношением суммы объемов полупроводниковых элементов в модуле к его замкнутому объему, превышает 90%;
2) наличие электрической изоляции, образуемой слоем, соответственно покрытием из слюды или керамики;
3) ширина зазора между полупроводниковыми элементами составляет менее 50 мкм;
4) соотношение между высотой полупроводниковых элементов и толщиной электроизолирующего слоя превышает более 8:1;
5) припой имеет толщину при соотношении между высотой полупроводниковых элементов и этой толщиной припоя более 5:1.
Особенно предпочтительно также термоэлектрическое устройство, в котором в сочетании между собой реализованы по меньшей мере 3 из рассмотренных выше признаков или даже все они. Фактически указанная выше последовательность перечисления признаков отражает степень их важности касательно усовершенствования известных устройств.
Второй несущий слой в предпочтительном варианте выполнен из материала с теплопроводностью, превышающей теплопроводность материала первого несущего слоя, и поэтому второй несущий слой несмотря на свою большую вторую толщину проявляет тем не менее сравнимые характеристики отвода тепла.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении термоэлектрического устройства предусмотрено несколько осевых компенсационных элементов, расположенных друг от друга с интервалами в осевом направлении максимум 10 мм.
В еще одном предпочтительном варианте по меньшей мере один модуль имеет по меньшей мере один осевой компенсационный элемент, образуемый по меньшей мере несколькими расположенными наклонно к осевому направлению полупроводниковыми элементами, благодаря чему обеспечивается по меньшей мере частичное преобразование теплового расширения модуля в осевом направлении в его тепловое расширение в радиальном направлении. Установка полупроводниковых элементов в наклонном положении к осевому направлению позволяет компенсировать различия в величинах теплового расширения первого несущего слоя и второго несущего слоя благодаря обеспечиваемой изменением наклона полупроводниковых элементов возможности относительного перемещения этих несущих слоев. В результате вместо одностороннего изменения длины модуля происходит его радиальное расширение. При этом по меньшей мере несколько полупроводниковых элементов располагаются наклонно к осевому направлению по меньшей мере в то время, когда термоэлектрическое устройство не работает. При работе же термоэлектрического устройства полупроводниковые элементы устанавливаются вследствие осевого теплового расширения модуля в положение, в котором они располагаются прежде всего перпендикулярно несущим слоям, соответственно осевому направлению. Такое радиальное тепловое расширение может приводить к сужению ограничиваемого наружными несущими слоями поперечного сечения, через которое проходит текучая среда, что позволяет тем самым регулировать также объемный расход текучей среды, движущейся вдоль несущих слоев. В соответствии с этим в термоэлектрическом генераторе со множеством термоэлектрических устройств и множеством проточных для текучей среды каналов, соответственно обтекаемых текучей средой несущих слоев может происходить прежде всего саморегулирование потоков текучей среды, что обеспечивает равномерное распределение, соответственно способствует равномерному распределению тепловой энергии потока текучей среды по всем доступным поверхностям термоэлектрических устройств.
В еще одном предпочтительном варианте компенсацию теплового расширения обеспечивают путем выполнения несущих слоев из материалов, обладающих разными коэффициентами теплового расширения. В соответствии с этим несущий слой, расположенный с горячей стороны, выполнен из материала с меньшим коэффициентом теплового расширения, а несущий слой, расположенный с холодной стороны, выполнен из материала с большим коэффициентом теплового расширения.
В одном из особенно предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении термоэлектрического устройства оно позволяет компоновать его из по меньшей мере одного множества модулей путем их. соединения между собой в осевом направлении. Благодаря этому обеспечивается возможность согласования термоэлектрического устройства с заданными требованиями к его мощности. В этом состоят особые преимущества с точки зрения изготовления и подготовки термоэлектрических устройств, рассчитанных на применение в тех или иных конкретных условиях. При компоновке термоэлектрического устройства из отдельных модулей их соединяют между собой прежде всего по меньшей мере одним паяным соединением, при этом необходимо предусматривать изолированные друг от друга токопроводящие дорожки, позволяющие электрически соединять полупроводниковые элементы отдельных модулей по последовательной схеме. Помимо этого необходимо также обеспечивать герметичное, соответственно не проницаемое для текучих сред соединение отдельных модулей между собой с целью исключить всякую возможность проникновения прежде всего обладающих коррозионным действием окружающих сред, например ОГ, в зоны между двумя модулями. Для такого соединения по меньшей мере одного множества модулей предпочтение следует отдавать их выполнению трубчатой формы.
В предпочтительном варианте модуль может иметь наполнитель, уплотняющий или герметично отделяющий промежуточное пространство между несущими слоями во избежание проникновения в него окружающих сред, соответственно текучих сред, прежде всего охлаждающей жидкости или ОГ. Промежуточное пространство между несущими слоями прежде всего могут также уплотнять они сами, когда первый несущий слой и второй несущий слой образуют (непосредственное) соединение между собой. Однако при последовательном расположении нескольких модулей предпочтительно соединять первые несущие слои с первыми несущими слоями и/или вторые несущие слои со вторыми несущими слоями, что обеспечивает возможность соединения токопроводящих дорожек в каждом отдельном модуле с токопроводящими дорожками соседнего модуля без необходимости пропускания токопроводящей дорожки сквозь несущий слой.
В еще одном предпочтительном варианте термоэлектрический аппарат имеет множество предлагаемых в изобретении термоэлектрических устройств, у которых первый несущий слой соединен с горячей стороной, а второй несущий слой соединен с холодной стороной.
Еще одним - особенно предпочтительным - объектом настоящего изобретения является автомобиль, который имеет двигатель внутреннего сгорания, систему выпуска отработавших газов (ОГ), охлаждающий контур и множество предлагаемых в изобретении термоэлектрических устройств, у которых первый несущий слой соединен с горячей стороной, а второй несущий слой соединен с холодной стороной, и в котором система выпуска ОГ соединена с горячей стороной, а охлаждающий контур соединен с холодной стороной.
Ниже изобретение, а также необходимые для его реализации технические средства более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. Необходимо отметить, что на этих чертежах представлены особенно предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые, однако, не ограничивают его объем. На прилагаемых к описанию чертежах, которые носят схематичный характер, в частности, показано:
на фиг.1 - выполненный по одному из вариантов термоэлектрический аппарат на автомобиле,
на фиг.2 - выполненный по одному из вариантов модуль термоэлектрического устройства,
на фиг.3 - выполненный по одному из вариантов полупроводниковый элемент,
на фиг.4 - выполненный по другому варианту модуль термоэлектрического устройства,
на фиг.5 - выполненный по другому варианту полупроводниковый элемент,
на фиг.6 - выполненное по одному из вариантов термоэлектрическое устройство и
на фиг.7 - фрагмент выполненного по одному из вариантов модуля.
На фиг.1 показан выполненный по одному из вариантов термоэлектрический аппарат 33, установленный на автомобиле 34 с ДВС 35 и системой 36 выпуска ОГ, в которой через термоэлектрический аппарат 33 проходит вторая текучая среда 23, прежде всего ОГ, с повышенной температурой. Термоэлектрический аппарат 33 имеет множество термоэлектрических устройств 1 с модулями 2. Такие модули 2 с их горячей стороны 38 обтекает вторая текучая среда 23, а с их холодной стороны 39 обтекает первая текучая среда 14, циркулирующая в охлаждающем контуре 37. Горячая сторона 38 термоэлектрического устройства 1 ограничена первым несущим слоем 3 модуля 2. Аналогичным образом холодная сторона 39 термоэлектрического устройства ограничена вторым несущим слоем 4 модуля 2.
В промежуточном пространстве 5 между первым несущим слоем 3 и вторым несущим слоем 4 расположены полупроводниковые элементы 7. Помимо этого на фиг.1 обозначен внутренний или замкнутый объем 19 модуля 2, ограниченный в данном случае первым несущим слоем 3 и вторым несущим слоем 4, соответственно заключенный между ними.
На фиг.2 показан фрагмент выполненного по одному из вариантов модуля 2 термоэлектрического устройства 1. Такой модуль 2 показан при этом с первым несущим слоем 3 и вторым несущим слоем 4, между которыми имеется промежуточное пространство 5, в котором расположены полупроводниковые элементы 7 по схеме с попеременным чередованием легированных примесями р-типа и легированных примесями n-типа полупроводниковых элементов. Такие полупроводниковые элементы 7 в чередующемся порядке электрически соединены между собой припоем 10, в результате чего образуется последовательная схема включения легированных примесями p-типа и легированных примесями n-типа полупроводниковых элементов. В данном случае припой 10 имеет толщину 12. Припой 10 отделен от первого несущего слоя 3, соответственно от второго несущего слоя 4 электроизолирующим слоем 6 толщиной 26. Первый несущий слой 3 имеет в данном случае первую толщину 27, которая прежде всего меньше второй толщины 28 второго несущего слоя 4.
Между полупроводниковыми элементами 7 расположена изоляция 21 шириной 22, предотвращающая переход электронов, проходящих по полупроводниковым элементам 7, между ними и в соответствии с этим обеспечивающая их последовательное соединение только припоем 10, образующим токопроводящие дорожки 42. Модуль 2 имеет далее покрываемую полупроводниковыми элементами 7 общую площадь 25, ограничиваемую крайними полупроводниковыми элементами 7. В отличие от этого покрытая площадь 24 равна сумме частичных площадей модуля 2, занятых собственно полупроводниковыми элементами 7.
На фиг.3 показан выполненный по одному из вариантов полупроводниковый элемент 7. Такой полупроводниковый элемент в данном случае выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда, соответственно в форме столбика и имеет первую контактную поверхность 15 и вторую контактную поверхность 16, которыми полупроводниковый элемент 7 через (промежуточный) электроизолирующий слой соединен с первым несущим слоем, соответственно со вторым несущим слоем. Полупроводниковый элемент 7 имеет далее токопередающую площадку 11, образующуюся в результате контактирования полупроводникового элемента 7 с припоем 10, которым отдельные полупроводниковые элементы соединяются между собой в модуле по последовательной схеме. Полупроводниковый элемент 7 имеет также боковые поверхности 20, которые совместно с первой и второй контактными поверхностями 15, 16 ограничивают его объем 18. Полупроводниковый элемент 7 имеет, кроме того, высоту 13.
На фиг.4 показан выполненный по другому варианту модуль 2 термоэлектрического устройства 1, при этом термоэлектрическое устройство 1, соответственно модуль 2 имеют в данном случае трубчатое исполнение. Трубчатый модуль 2 имеет внутренний канал 41, по которому проходит прежде всего вторая текучая среда 23. Тем самым внутренний канал 41 в показанном на данном чертеже варианте образует горячую сторону 38 термоэлектрического устройства 1. Холодную же сторону 39 термоэлектрического устройства 1 обтекает первая текучая среда 14, в результате чего на полупроводниковых элементах 7 создается перепад температур. Внутреннюю боковую поверхность трубы и тем самым внутренний канал 41 образует первый несущий слой 3, а наружную боковую поверхность модуля 2 образует второй несущий слой 4.
Промежуточное пространство 5 для его ограничения и для защиты от проникновения в него возможно обладающих коррозионным действием текучих сред уплотнено наполнителем 40.
На фиг.5 показан выполненный по другому варианту полупроводниковый элемент 7. При этом такой полупроводниковый элемент 7 в данном случае выполнен кольцеобразным и имеет наружную боковую поверхность 8 и внутреннюю боковую поверхность 9. Подобный полупроводниковый элемент 7 прежде всего пригоден для применения в трубчатом термоэлектрическом устройстве, показанном, например, на фиг.4. Полупроводниковый элемент 7 при этом первой контактной поверхностью 15 соединен с первым несущим слоем, а второй контактной поверхностью 16 - со вторым несущим слоем. Полупроводниковый элемент 7 имеет далее боковые поверхности 20, а также высоту 13, измеряемую между его внутренней боковой поверхностью 9 и наружной боковой поверхностью 8. Такой кольцеобразный полупроводниковый элемент 7 имеет токопередающую площадку 11 на своей наружной боковой поверхности 15 и еще одну токопередающую площадку на своей внутренней боковой поверхности 16, образующуюся в результате контактирования с припоем 10.
На фиг.6 показано выполненное по одному из вариантов термоэлектрическое устройство 1, которое образуют несколько соединенных между собой паяными соединениями 43 модулей 2. При этом необходимо прежде всего обеспечивать уплотнение отдельных модулей 2 во избежание проникновения в них возможно обладающих коррозионным действием текучих сред. В рассматриваемом варианте термоэлектрическое устройство 1 образовано несколькими соединенными между собой модулями 2, что позволяет согласовывать компонуемое из них термоэлектрическое устройство 1 с различными требованиями касательно выработки электрической энергии, соответственно касательно превращения имеющейся тепловой энергии в электрическую. Отдельные модули 2 электрически соединены между собой соединительными средствами 45, благодаря чему обеспечивается последовательное соединение полупроводниковых элементов и по совокупной протяженности нескольких модулей 2 в образуемом ими термоэлектрическом устройстве 1.
На фиг.7 показан фрагмент выполненного по предпочтительному варианту модуля 2, в котором в данном случае предусмотрены расположенные наклонно к осевому направлению 31 полупроводниковые элементы 7, которые образуют осевой компенсационный элемент 29, позволяющий за счет изменения наклона полупроводниковых элементов 7 по меньшей мере частично преобразовывать тепловое расширение 30 в осевом направлении 31 в тепловое расширение 30 в радиальном направлении 44. Помимо этого на первом несущем слое 3 (горячая сторона 38) предусмотрены осевые компенсационные элементы 29, расположенные с интервалом 32 друг от друга.
Перечень ссылочных обозначений
1 - термоэлектрическое устройство
2 - модуль
3 - первый несущий слой (горячая сторона)
4 - второй несущий слой (холодная сторона)
5 - промежуточное пространство
6 - электроизолирующий слой
7 - полупроводниковый элемент.
8 - наружная боковая поверхность
9 - внутренняя боковая поверхность
10 - припой
11 - токопередающая площадка
12 - толщина припоя
13 - высота
14 - первая текучая среда
15 - первая контактная поверхность
16 - вторая контактная поверхность
17 - полезный объем
18 - объем
19 - замкнутый объем
20 - боковая поверхность
21 - изоляция
22 - ширина изоляции
23 - вторая текучая среда
24 - покрытая площадь
25 - покрываемая общая площадь
26 - толщина электроизолирующего слоя
27 - первая толщина
28 - вторая толщина
29 - осевой компенсационный элемент
30 - тепловое расширение
31 - осевое направление
32 - интервал
33 - термоэлектрический генератор
34 - автомобиль
35 - двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
36 - система выпуска отработавших газов
37 - охлаждающий контур
38 - горячая сторона
39 - холодная сторона
40 - наполнитель
41 - внутренний канал
42 - токопроводящая дорожка
43 - паяное соединение
44 - радиальное направление
45 - соединительные элементы