ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА АВТОМОБИЛЯ Российский патент 2015 года по МПК H01L35/32 

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. 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. За счет подсоединенного нагрузочного сопротивления цепь тока может быть замкнута и, тем самым, отведена электрическая мощность.

Для обеспечения длительной 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. За счет этого оказывается противодействие потере эффективности или же функциональному отказу 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. 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 могло быть сгенерировано прохождение тока 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 изготовления термоэлектрических модулей является желательным иметь возможность легко комбинировать множество деталей между собой, упростить хранение и обращение с ними, а также при сборке получать легкую, стабильную конструкцию.

В термоэлектрических модулях КПД определяется, по существу, тепловым потоком от горячей стороны к холодной стороне. На горячую сторону регулярно подается газообразный ОГ, а на холодную сторону жидкое охлаждающее средство. Так как теплоемкость газообразной среды, как правило, существенно меньше, чем теплоемкость жидкой среды, является благоприятным увеличивать поверхность для теплопередачи газообразной среды. По этой причине КПД термоэлектрического модуля может быть заметно улучшен именно тогда, когда на горячей стороне обеспечивается большая поверхность теплопередачи.

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 указан термоэлектрический модуль, который является технически просто изготавливаемым, имеет уменьшенное количество деталей, является стабильным для желаемого применения и/или, к тому же, имеет высокий КПД, чтобы из термической энергии ОГ вырабатывать электрическую энергию.

Эти задачи решены посредством 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 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 множество полупроводниковых элементов с термоэлектрическим материалом и попеременно электрически соединены между собой. К тому же, по меньшей мере, часть полупроводниковых элементов имеет, по меньшей мере, одну внутреннюю рамную деталь, так что внутренние рамные детали образуют прерывистую внутреннюю периферийную поверхность. Внутренняя периферийная поверхность образует холодную сторону термоэлектрического модуля, и кроме того, по меньшей мере, на прерывистой внутренней периферийной поверхности предусмотрена нестабильная по форме оболочка.

Термоэлектрический модуль, прежде всего, представляет собой отдельный узел термоэлектрического генератора. При этом является предпочтительным, чтобы термоэлектрический модуль имел 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 внутренней периферийной поверхностью приводится в контакт с холодной средой, а своей внешней периферийной поверхностью - с горячей средой (прежде всего ОГ), или же обтекается/омывается этими средами. Таким образом, практически внутренняя периферийная поверхность образует так называемую холодную сторону, а внешняя периферийная поверхность - так называемую горячую сторону термоэлектрического модуля.

Кроме того, является предпочтительным, чтобы термоэлектрический модуль был выполнен продолговатым, 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 охлаждающая среда. За счет этого расположения КПД трубчатого термоэлектрического модуля может быть заметно повышен, так как газообразный ОГ попадает на имеющую большую площадь внешнюю периферийную поверхность, а охлаждающая среда направляется через внутренний канал.

Между этой внутренней периферийной поверхностью и внешней периферийной поверхностью расположены термоэлектрические материалы, причем они соответственно приданы так называемым полупроводниковым элементам. Множество 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, чтобы полупроводниковый элемент с заданным легированием полностью простирался 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, чтобы полупроводниковый элемент соответственно имел 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, чтобы термоэлектрический материал был 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 лишь действующей силой.

Кроме того, является предпочтительным, чтобы рамные детали одновременно образовывали 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:

n-тип: Bi₂Te₃; PbTe; Ba_0,3Co_3,95Ni_0,05Sb₁₂; Bay(Co,Ni)₄Sb₁₂; CoSb₃; Ba₈Ga₁₆Ge₃₀; La₂Te₃; SiGe; Mg₂(Si,Sn);

p-тип: (Bi,Sb)₂TE₃; Zn₄Sb₃; TAGS; PbTe; SnTe; CeFe₄Sb₁₂; Yb₁₄MnSb₁₁; SiGe; Mg₂(Si,Sb).

Таким образом, термоэлектрические материалы или же полупроводниковые элементы попеременно электрически соединены между собой, 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, по меньшей мере, внутренние рамные детали не образуют замкнутую внутреннюю периферийную поверхность и/или, при определенных условиях, дополнительно внешние рамные детали не образуют замкнутую внешнюю периферийную поверхность. За счет этого выражается, прежде всего то, что, по меньшей мере, внутренняя периферийная поверхность и, при определенных условиях, дополнительно внешняя периферийная поверхность выполнены не по типу замкнутой стенки корпуса, а здесь предусмотрены прерывания. Для того случая, если термоэлектрический модуль выполнен, например, по типу трубки, имелись бы цилиндрическая замкнутая внутренняя периферийная поверхность и/или цилиндрическая замкнутая 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, при определенных условиях, соответственно относится и к (воображаемой) цилиндрической внешней периферийной поверхности, которая тогда 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 крепления этой системы. Прежде всего, можно отказаться от дополнительной внутренней жесткой трубы-оболочки и/или внешней жесткой 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, считается благоприятным то, что, по меньшей мере, на прерывистой внутренней периферийной поверхности или, при определенных условиях, дополнительно на прерывистой внешней периферийной поверхности предусмотрена нестабильная по форме оболочка. Расположение такой нестабильной по форме оболочки служит, прежде всего, для того, чтобы не позволять нежелательным веществам проникать в промежуточную область между термоэлектрическими материалами или же полупроводниковыми элементами. Именно для этой цели применения могут использоваться пластиковые пленки, как например, так называемый усадочный рукав (на внешней периферийной поверхности). На внутренней периферийной поверхности предусмотрен, прежде всего, растяжимый рукав, который при комнатной температуре имеет направленную в направлении внешней периферийной поверхности силу предварительного натяжения. Термин «растяжимый рукав» выражает то, что оболочка растягивается наружу без воздействия внешних сил. Это означает, что она имеет направленную наружу силу предварительного натяжения. При расположении оболочки на внутренней периферийной поверхности термоэлектрического модуля в связи с направленной наружу силой предварительного натяжения оболочка прилегает к внутренним рамным деталям и, тем самым, защищает полупроводниковые элементы от среды, которая омывает внутреннюю периферийную поверхность при работе термоэлектрического модуля, прежде всего, охлаждающей среды. Так, например, является возможным, что с помощью нестабильной по форме оболочки, омывающая внутреннюю периферийную поверхность вода, удерживается от того, чтобы входить в контакт с электрической цепью и/или термоэлектрическим материалом в термоэлектрическом модуле. При этом понятие «нестабильная по форме» оболочка, прежде всего, должно выражать то, что оболочка оказывает влияние на стабильность термоэлектрического модуля лишь в очень малом объеме или же в таком объеме, которым можно пренебречь. Эта стабильность должна быть достигнута через соединительные области соседних рамных деталей. Еще одно преимущество нестабильной по форме оболочки состоит в том, что она упруго деформируется при термической нагрузке на термоэлектрический модуль. Таким образом, оболочка не создает никаких дополнительных напряжений, которые могли бы обременять термоэлектрический модуль. Сила предварительного натяжения, прежде всего, при термической нагрузке на термоэлектрический модуль, по меньшей мере, частично сохраняется. Таким образом, оболочка и при термической переменной нагрузке на термоэлектрический модуль, ни в какой момент времени при работе не создает растягивающей силы на полупроводниковые элементы или же на компоновку компонентов в термоэлектрическом модуле. Такая ситуация имеет место, прежде всего, при использовании жестких трубок в качестве внутренней периферийной поверхности или внешней периферийной поверхности термоэлектрического модуля. Так как жесткие трубки соответственно находятся в прямом контакте, например, с ОГ или охлаждающей средой, они нагреваются быстрее или же охлаждаются быстрее, чем остальные компоненты термоэлектрического модуля. За счет этого жесткие трубки индуцируют термические напряжения в термоэлектрическом модуле, которые могут приводить, прежде всего, к отказу контактирования отдельных компонентов (полупроводниковых элементов, электрически проводящих перемычек, изоляционного слоя), по меньшей мере, в радиальном направлении термоэлектрического модуля. Благодаря использованию внутренних рамных деталей и соответственно прерывистой внутренней периферийной поверхности при переменной термической нагрузке в значительной степени компенсируется разное расширение или же усадка отдельных компонентов термоэлектрического модуля. Кроме того, нестабильная по форме оболочка не индуцирует никаких дополнительных термических напряжений в термоэлектрическом модуле.

Согласно одному усовершенствованию термоэлектрического модуля предлагается, что полупроводниковые элементы содержат термоэлектрический материал, который расположен между внутренней рамной деталью и внешней рамной деталью, причем, по меньшей мере, внутренняя рамная деталь и, при определенных условиях, дополнительно внешняя рамная деталь, в каждом случае с одной стороны выступают за пределы термоэлектрического материала и там образуют жесткую по форме соединительную область с соседней рамной деталью. В этой связи является совершенно особо предпочтительным, чтобы все полупроводниковые элементы термоэлектрического модуля (за исключением полупроводниковых элементов в начале и в конце) образовывали 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, то внутренняя рамная деталь, то внешняя рамная деталь. Такая жесткая по форме соединительная область может быть реализована, например, с помощью паяного соединения, клеевого соединения или сварного соединения. Таким образом, соединительные области рассчитаны (стабильными по форме), 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, чтобы соединительная область соответственно простиралась по всей периферии рамных деталей, например, в виде окружного сварного шва между соседними внутренними рамными деталями, а также, при определенных условиях, 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 неотъемлемая компоновка множества 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. И при таких больших, продолговатых 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.

Согласно одному предпочтительному варианту 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 на поверхности внешней рамной детали, и служит, прежде всего, для электрической изоляции путей тока. Для этого в расчет принимается, прежде всего, изоляционный слой, содержащий оксид алюминия (Al₂O₃) или тому подобное.

Кроме того, считается благоприятным то, что в прерывистой внутренней периферийной поверхности образовано свободное пространство между соседними внутренними рамными деталями, которое соответствует расстоянию термоэлектрического материала соседних полупроводниковых элементов. За счет этого, прежде всего, также выражается то, что расположение полупроводниковых элементов с внутренними рамными деталями происходит так, что в области прерывания внутренней периферийной поверхности создано как можно большее свободное пространство, и это свободное пространство, прежде всего, не ограничено выступающими областями внутренних 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 внешних рамных деталях в это свободное пространство снаружи. Так, прежде всего, с помощью сварочного устройства может быть реализован сварной шов между расположенными снаружи внешними рамными деталями без повреждения процессом соединения имеющейся, при определенных условиях, между полупроводниковыми элементами (в свободном пространстве) изоляции. В собранном состоянии часто образуется проходящее в периферийном направлении окружное свободное пространство, которое определяется лежащей радиально внутри периферийной поверхностью соседних внешних рамных деталей, противолежащих верхней стороны и нижней стороны соседних термоэлектрических материалов, а также соответствующего прерывания внутренней 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.

Сравнимые высказывания относятся, прежде всего, и к внешним рамным деталям, так что имеется доступность от внешних к внутренним рамным деталям. Через свободное пространство между полупроводниковыми элементами может быть установлено соединение между 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 на величину, равную расстоянию верхней стороны или же нижней стороны соседних термоэлектрических материалов. При этом в собранном состоянии соответственно образуется проходящее в периферийном направлении свободное пространство, которое определяется расположенной радиально снаружи периферийной поверхностью соседних внутренних рамных деталей, противолежащих верхней стороны и нижней стороны соседних термоэлектрических материалов, а также соответствующего прерывания внешней периферийной поверхности.

Согласно одному усовершенствованию, по меньшей мере, в прерывистой внутренней периферийной поверхности между соседними внутренними рамными деталями образовано свободное пространство, которое заполнено пористым изоляционным материалом. Это, прежде всего, означает, что доступное радиально внутри 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 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. Пористый изоляционный материал, при определенных условиях, может быть дополнительно расположен и в образованном между соседними внешними рамными деталями свободном пространстве.

Кроме того, считается благоприятным то, что предусмотренная, по меньшей мере, на внутренней периферийной поверхности нестабильная по форме оболочка является растяжимым рукавом, который при комнатной температуре имеет направленную в сторону внешней периферийной поверхности силу предварительного натяжения.

Согласно одному благоприятному усовершенствованию нестабильная по форме оболочка/растяжимый рукав имеет, по меньшей мере, один пружинный элемент, который создает силу предварительного натяжения. Пружинный элемент является, прежде всего, пружинным кольцом, которое соединено с нестабильной по форме оболочкой. Это пружинное кольцо для монтажа нестабильной оболочки сжимается и вводится во внутренний канал. Пружинящее действие, по меньшей мере, одного пружинного кольца фиксирует нестабильную по форме оболочку на внутренней периферийной оболочке термоэлектрического модуля. Прежде всего, по меньшей мере, одно пружинное кольцо лежит, по меньшей мере, частично на внутренних рамных деталях, и не расположено исключительно в области свободного пространства. Но такое расположение (пружинное кольцо лежит исключительно в области свободного пространства) может быть благоприятным, прежде всего тогда, когда в свободном пространстве расположен (не газообразный) изоляционный материал.

Согласно особо благоприятному варианту нестабильная по форме оболочка, по меньшей мере, частично состоит, по меньшей мере, из одного из следующих материалов: сплав с эффектом памяти формы, полимер с эффектом памяти формы.

Таким образом, нестабильная по форме оболочка (или растяжимый рукав) может быть расположена на внутренней периферийной поверхности и, например, посредством нагрева приведена в свою первоначальную форму. Эта первоначальная форма предпочтительно больше, чем внутренняя периферийная поверхность термоэлектрического модуля, так что после преобразования производится направленная радиально наружу сила предварительного натяжения на внутренней периферийной поверхности. Материалы с эффектом памяти формы отличаются тем, что они, несмотря на последующую сильную деформацию, могут «вспомнить» первоначальную форму. Здесь в качестве нестабильной по форме оболочки предпочтительными являются, прежде всего, материалы, которые имеют так называемый одноразовый эффект памяти. Этот эффект включает одноразовое изменение формы, например, при нагревании. Возврат формы здесь невозможен. За счет этого может быть обеспечено то, что нестабильная по форме оболочка после совершенного расположения на внутренней периферийной поверхности будет длительно позиционирована. В качестве сплава с эффектом памяти формы подходящим является, по меньшей мере, один из следующих материалов: никель-титан, медь-цинк, медь-цинк-алюминий, медь-алюминий-никель и/или сплавы железо-никель-алюминий. Полимер с эффектом памяти формы содержит, например, термопласт, затвердевающий при повышенной температуре материал, взаимопроникающие сети, взаимно полупроникающие сети и/или смешанные сети. Полимер может быть отдельным полимером или смесью полимеров. Полимеры могут быть термопластичными эластомерами с прямой цепью или с разветвленной цепью с боковыми цепями или дендритными структурными элементами. Подходящие полимерные компоненты для создания полимера с эффектом памяти формы включают, например, полифосфацены, поливиниловые спирты, полиамиды, полиэфирамиды, полиаминокислоты, полиангидриды, поликарбонаты, полиакрилаты, полиалкилены, полиакриламиды, полиалкиленгликоли, полиалкиленоксиды, полиалкилентерефталаты, полиортоэфир, полимер простого винилового эфира, полимер сложного винилового эфира, поливинилгологениды, сложный полиэфир, полиактиды, полигликолиды, полисилоксаны, полиуретаны, простой полиэфир, полиэфирамиды, простые и сложные полиэфиры и их сополимеры. При необходимости, материалы могут также комбинироваться между собой, чтобы образовать нестабильную по форме оболочку, причем при определенных условиях соединительные элементы (гибко) удерживают вместе отдельные части (например, кольца) из разных материалов. Расположение материалов в нестабильной по форме оболочке может выполнено, прежде всего, с учетом температурной нагрузки при эксплуатации.

Прежде всего, при комнатной температуре (20°C) сила предварительного натяжения нестабильной по форме оболочки/растяжимого рукава на внутренних рамных деталях составляет по меньшей мере 15 Н/мм² [ньютон на квадратный миллиметр], прежде всего по меньшей мере 20 Н/мм². Согласно одному благоприятному варианту при температуре от 150°C до 250°C на нестабильной по форме оболочке сила предварительного натяжения на внутренних рамных деталях составляет по меньшей мере 10 Н/мм², предпочтительно по меньшей мере 15 Н/мм².

К тому же считается благоприятным, между нестабильной по форме оболочкой и внутренней периферийной поверхностью и, при определенных условиях, дополнительно между нестабильной по форме оболочкой и внешней периферийной поверхностью размещать клей. Прежде всего, этот клей размещается между нестабильной по форме оболочкой и образующей внутреннюю 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, 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 боковых поверхностях 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 множество описанных здесь согласно изобретению модулей, причем система выпуска ОГ простирается снаружи вдоль внешней периферийной поверхности термоэлектрического модуля, а система охлаждения насквозь через внутреннюю периферийную поверхность термоэлектрического модуля. Другими словами, это также означает, что, например, охлаждающее средство системы охлаждения протекает внутри по каналу, который ограничен внутренней периферийной поверхностью термоэлектрических модулей, так что внутренняя периферийная поверхность термоэлектрического модуля представляет собой холодную сторону. Это также означает, что горячий ОГ направляется снаружи вдоль внешней периферийной поверхности термоэлектрических модулей, так что внешняя периферийная поверхность тогда представляет собой горячую сторону. Является особо предпочтительным, чтобы термоэлектрический генератор при этом был сконструирован по типу пучка труб, причем, с одной стороны, множество этих термоэлектрических модулей тогда подключены к системе охлаждения, так что по ним протекает поток охлаждающего средства, а с другой стороны, термоэлектрические модули расположены, например, в общем (дистанцированном) корпусе, так что они вместе могут обтекаться потоком ОГ. 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: схема для автомобиля с термоэлектрическим генератором.

На фиг.1 схематически показано как может быть собрано множество полупроводниковых элементов 5, чтобы изготовить термоэлектрический модуль с приведенными согласно изобретению свойствами. При этом необходимо, прежде всего, отметить, 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, чтобы термоэлектрические материалы 6 всех полупроводниковых элементов 5, которые ориентированы в первом направлении вдоль оси 3, имели легирование примесью одного и того же 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 оформлены 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 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, пайке, сварке и т.п.), прежде всего окружных 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. За счет этого, прежде всего, 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 заполняют не 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 описывается 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. То же самое относится и к свободному пространству 11, которое простирается от прилегающих друг к другу внешних рамных деталей радиально внутрь. Свободные пространства 11 выполнены так, что они соответствуют расстоянию 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 внутренней периферийной поверхности 2, а также на прерывистой внешней периферийной поверхности 4 предусмотрена нестабильная по форме оболочка 14. Оболочка 14 на внутренней периферийной поверхности 2 может быть, например, после установки или же приготовления деталей термоэлектрического модуля 1, вставлена внутри полупроводниковых элементов 5. Для этого предлагается, прежде всего, пластиковая пленка, например растяжимый рукав, который имеет пружинные элементы 16 (например, пружинное кольцо). Благодаря пружинным элементам 16 против внутренней периферийной поверхности 2 действует сила 15 предварительного натяжения. Этот растяжимый рукав или же эта нестабильная по форме оболочка 14 обеспечивает то, что в области в пределах внутренней периферийной поверхности 2 не может проникать вода. Равным образом обеспечена хорошая теплопроводность или же охлаждение в направлении полупроводниковых элементов 5 или же внутренних рамных деталей 7. Для этого оболочка 14 должна быть выполнена соответственно тонкой. При этом пружинные элементы 16 образуют возвышения 28, которые обеспечивают промешивание охлаждающего средства и предотвращают ламинарные краевые потоки и, тем самым, могут повысить КПД термоэлектрического модуля 1. Здесь пружинные элементы расположены так, что они прилегают к внутренним рамным деталям 7. Между нестабильной по форме оболочкой 14 и внутренними рамными деталями 7 расположен клей 17, так что, прежде всего, между внутренними рамными деталями 7 и нестабильной по форме оболочкой 14 достигается уплотняющее соединение. Прежде всего, клей 17 расположен только на соответствующих концах термоэлектрического модуля 1 между нестабильной по форме оболочкой 14 и внутренними рамными деталями 7, так что здесь достигается уплотняющее соединение относительно, например, системы охлаждения. Здесь охлаждающее средство протекает через термоэлектрический модуль 1 по каналу 18. Соответственно, внутренняя периферийная поверхность 2 образует холодную сторону 27. Внешняя периферийная поверхность 4 термоэлектрического модуля здесь омывается ОГ и соответственно образует горячую сторону 29.

В области открытых свободных пространств 11, к тому же, 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, чтобы пористый изоляционный материал 13 заполнял все свободное пространство 11.

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 6, который состоит, например, из спрессованного порошка. Также является предпочтительным, чтобы этот термоэлектрический материал 6 с помощью прессования с силовым замыканием (и/или сплошным образом) был 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 8, внутренней рамной детали 7 и/или самого термоэлектрического материала 6. В качестве материала для этого покрытия 19 во внимание принимается, 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. Кроме того, на внешней рамной детали 8 показан изоляционный слой 26, которые электрически изолирует электропроводную рамную деталь 8 радиально наружу, например, от расположенной там позже внешней трубки.

Наконец, на фиг.4 схематически показана еще конструкция автомобиля 20, который имеет ДВС 21, систему 22 выпуска ОГ и систему 23 охлаждения. Кроме того, автомобиль 20 имеет термоэлектрический генератор 24, который имеет множество 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 горячая сторона, а на внутренней периферийной поверхности 2 термоэлектрического модуля 1 холодная сторона. Для этого, по меньшей мере, часть ОГ направляется к термоэлектрическому генератору 24 так, что ОГ снаружи обтекает 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 через отдельные термоэлектрические модули 1 и, наконец, снова подводится в систему 23 охлаждения (или ДВС 21). Само собой разумеется, возможно, 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 токоприемники, 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 указан 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 Расстояние 13 Изоляционный материал 14 Оболочка 15 Сила предварительного натяжения 16 Пружинный элемент 17 Клей 18 Канал 19 Покрытие 20 Автомобиль 21 ДВС 22 Система выпуска ОГ 23 Система охлаждения 24 Термоэлектрический генератор 25 Прерывание 26 Изоляционный слой 27 Холодная сторона 28 Возвышение 29 Горячая сторона

Изобретение относится к термоэлектрическому преобразованию энергии. Сущность: термоэлектрический модуль (1) имеет внутреннюю периферийную поверхность (2), ось (3) и внешнюю периферийную поверхность (4). В направлении оси (3) и между внутренней периферийной поверхностью (2) и внешней периферийной поверхностью (4) расположено и электрически попеременно соединено между собой множество полупроводниковых элементов (5) с термоэлектрическим материалом (6). По меньшей мере, часть полупроводниковых элементов (5) имеет, по меньшей мере, одну внутреннюю рамную деталь (7). Внутренние рамные детали (7) образуют прерывистую внутреннюю периферийную поверхность (2). Внутренняя периферийная поверхность (2) образует холодную сторону (27) термоэлектрического модуля (1). На прерывистой внутренней периферийной поверхности (2) предусмотрена нестабильная по форме оболочка (14). Технический результат: повышение стабильности, КПД, упрощение. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Термоэлектрический модуль (1), имеющий внутреннюю периферийную поверхность (2), ось (3) и внешнюю периферийную поверхность (4), причем в направлении оси (3) и между внутренней периферийной поверхностью (2) и внешней периферийной поверхностью (4) расположено и электрически попеременно соединено между собой множество полупроводниковых элементов (5) с термоэлектрическим материалом (6), причем, по меньшей мере, часть полупроводниковых элементов (5) имеет, по меньшей мере, одну внутреннюю рамную деталь (7), так что внутренние рамные детали (7) образуют прерывистую внутреннюю периферийную поверхность (2), причем внутренняя периферийная поверхность (2), кроме того, образует холодную сторону (27) термоэлектрического модуля (1) и, по меньшей мере, на прерывистой внутренней периферийной поверхности (2) предусмотрена нестабильная по форме оболочка (14).

2. Термоэлектрический модуль (1) по п.1, в котором полупроводниковые элементы (5) содержат термоэлектрический материал (6), который расположен между внутренней рамной деталью (7) и внешней рамной деталью (8), причем, по меньшей мере, внутренняя рамная деталь (7) с одной стороны выступает над термоэлектрическим материалом (6) и там образует жесткую по форме соединительную область (10) с соседней рамной деталью.

3. Термоэлектрический модуль (1) по одному из предшествующих пунктов, в котором, по меньшей мере, в прерывистой внутренней периферийной поверхности (2) образовано свободное пространство (11) между соседними внутренними рамными деталями (7), которое заполнено пористым изоляционным материалом (13).

4. Термоэлектрический модуль (1) по п.1, в котором предусмотренная, по меньшей мере, на прерывистой внутренней периферийной поверхности (2) нестабильная по форме оболочка (14) является растяжимым рукавом, который при комнатной температуре имеет направленную к внешней периферийной поверхности (4) силу (15) предварительного натяжения.

5. Термоэлектрический модуль (1) по п.4, в котором нестабильная по форме оболочка (14) имеет, по меньшей мере, один пружинный элемент (16), который создает силу (15) предварительного натяжения.

6. Термоэлектрический модуль (1) по п.4 или 5, в котором нестабильная по форме оболочка (14) состоит, по меньшей мере, из одного из следующих материалов: сплав с эффектом памяти формы, полимер с эффектом памяти формы.

7. Термоэлектрический модуль (1) по п.4 или 5, в котором при комнатной температуре сила (15) предварительного натяжения на внутренних рамных деталях (7) составляет, по меньшей мере, 15 Н/мм².

8. Термоэлектрический модуль (1) по п.4 или 5, в котором при температуре от 150°C до 250°C на нестабильной по форме оболочке (14) сила (15) предварительного натяжения на внутренних рамных деталях (7) составляет, по меньшей мере, 10 Н/мм².

9. Термоэлектрический модуль (1) по п.1 или 4, в котором между нестабильной по форме оболочкой (14) и, по меньшей мере, внутренней периферийной поверхностью (2) расположен клей (17).

10. Автомобиль (20) с двигателем внутреннего сгорания (21), системой (22) выпуска отработавшего газа и системой (23) охлаждения, причем предусмотрен термоэлектрический генератор (24), который имеет множество термоэлектрических модулей (1) по одному из предшествующих пунктов, причем система (22) выпуска отработавшего газа простирается снаружи вдоль внешней периферийной поверхности (4) термоэлектрического модуля (1), а система (23) охлаждения простирается внутри и вдоль внутренней периферийной поверхности (2) термоэлектрического модуля (1).