ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА АВТОМОБИЛЯ С УПЛОТНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ Российский патент 2015 года по МПК F01N5/02 F02B63/04 H01L35/32 

Настоящее изобретение относится к термоэлектрическому модулю, прежде всего для использования в термоэлектрическом генераторе, который используется в автомобиле, причем термоэлектрический модуль имеет по меньшей мере один уплотнительный элемент.

Отработавший газ из двигателя внутреннего сгорания 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. Эти два полупроводниковых элемента образуют наименьшую термоэлектрическую единицу или же термоэлектрический элемент. Термоэлектрические материалы являются материалами такого вида, что они могут эффективно 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. Посредством подсоединенного нагрузочного сопротивления цепь тока может быть замкнута, и тем самым отведена электрическая мощность.

Чтобы обеспечить постоянную работоспособность полупроводниковых элементов, между электрически проводящими перемычками и термоэлектрическим материалом, как правило, располагается диффузионный барьер, который предотвращает диффундирование содержащегося в электрических перемычках материала в термоэлектрический материал и тем самым предотвращает потерю эффективности или же функциональный отказ полупроводникового материала или же термоэлектрического элемента. Конструирование термоэлектрических модулей или же полупроводниковых элементов обычно происходит путем сборки отдельных компонентов термоэлектрического материала, диффузионного барьера, электрически проводящих перемычек, изоляции и, при необходимости, других корпусных элементов в термоэлектрический модуль, который обтекается горячей или же холодной средой. Эта сборка многочисленных отдельных компонентов требует точного согласования отдельных допусков конструктивных деталей и учета теплопередачи от горячей стороны к холодной стороне, а также достаточного контактирования электрически проводящих перемычек, так чтобы мог быть сгенерирован электрический ток через термоэлектрический материал.

Для расположения таких полупроводниковых элементов в термоэлектрическом модуле, как правило, предусмотрены стенки корпуса 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, но стабильную конструкцию. Указанные выше требования в равной мере относятся и к уплотнительным элементам, которые должны уплотнять соответствующие концы, прежде всего, трубчатого термоэлектрического модуля, так чтобы горячая среда или холодная среда, которая окружает термоэлектрический модуль на соответственно одной стороне, в течение длительного времени оставалась отделенной от расположенных в термоэлектрическом модуле элементов. Именно для этих деталей на фоне уплотнения термоэлектрического модуля относительно газообразных и/или жидких сред требуется как можно более прочная конструкция, так чтобы можно было избежать слишком высоких требований относительно точности посадки или относительно сборки таких уплотнительных элементов.

Исходя из этого, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично решить указанные со ссылкой на уровень техники - 4 -

проблемы. Прежде всего, должен быть разработан термоэлектрический модуль, который может быть уплотнен относительно горячей среды или же холодной среды и, в то же время, является технически просто изготавливаемым и имеет уменьшенное количество деталей. Кроме того, для желаемого использования он должен быть выполнен усталостно прочным и к тому же иметь высокий кпд, чтобы из термической энергии отработавшего газа (ОГ) производить максимально электрической энергии.

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 дополнительно и приводит дополнительные примеры осуществления изобретения.

Термоэлектрический модуль согласно изобретению имеет внутреннюю и внешнюю краевые поверхности, соответствующие горячей или холодной сторонам модуля или наоборот. Между внутренней краевой поверхностью и внешней краевой поверхностью расположено промежуточное пространство. Термоэлектрический модуль имеет геометрическую ось и по меньшей мере один уплотнительный элемент, который по меньшей мере частично образует внутреннюю краевую поверхность или отделен от расположенной там горячей стороны или холодной стороны только электрическим изоляционным слоем. Кроме того, уплотнительный элемент уплотняет промежуточное пространство относительно холодной стороны. Кроме того, уплотнительный элемент имеет по меньшей мере один электрический проводник, который соединяет по меньшей мере один расположенный в термоэлектрическом модуле термоэлектрический элемент со вторым электрическим проводником, который сам расположен вне термоэлектрического модуля.

Кроме того, предпочтительно, чтобы уплотнительный элемент дополнительно по меньшей мере частично образовывал внешнюю краевую поверхность термоэлектрического модуля или был отделен от расположенной на внешней краевой поверхности холодной стороны или горячей стороны только электрической изоляцией. Прежде всего, уплотнительный элемент дополнительно уплотняет промежуточное пространство относительно горячей стороны.

Прежде всего, термоэлектрический модуль представляет собой отдельный узел термоэлектрического генератора. При этом является предпочтительным, что термоэлектрический модуль имеет контакт, с помощью которого такой термоэлектрический модуль при необходимости, может быть электрически соединен с множеством других термоэлектрических модулей. То есть, внутри термоэлектрического модуля реализовано, прежде всего, электрическое соединение или же монтаж всех интегрированных там термоэлектрических элементов. Таким образом, такой термоэлектрический модуль, с одной стороны, на горячей стороне подвергается воздействию горячей среды, а на холодной стороне - воздействию холодной среды. При этом, прежде всего, важно, что термоэлектрический модуль своей внешней краевой поверхностью приводится в контакт с холодной средой, а своей внутренней краевой поверхностью - с горячей средой (прежде всего, ОГ) или же обтекается/омывается этими средами. Таким образом, практически внутренняя краевая поверхность образует так называемую горячую сторону, а внешняя краевая поверхность - так называемую холодную сторону термоэлектрического модуля.

Кроме того, является предпочтительным, что термоэлектрический модуль 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 краевая поверхность и внешняя краевая поверхность. При этом внутренняя краевая поверхность, прежде всего, ограничивает внутренний канал, по которому может протекать горячая среда (ОГ). Между этой внутренней краевой поверхностью и внешней краевой поверхностью термоэлектрические элементы расположены в промежуточном пространстве термоэлектрического модуля. Множество таких термоэлектрических элементов могут быть расположены один на другом в направлении геометрической оси термоэлектрического модуля, 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 краевой поверхности, например, по типу дисков или колец. Таким образом, этот термоэлектрический материал обрамлен электропроводными перемычками, которые в дальнейшем называются соединительными элементами. Таким образом, термоэлектрический материал, по меньшей мере, частично обрамлен этими соединительными элементами, так что соединительными элементами образована внутренняя краевая поверхность и внешняя краевая поверхность. Эти соединительные элементы, предпочтительно, заключают термоэлектрический материал внутри и снаружи, в каждом случае полностью. В соответствии с формой полупроводникового элемента соединительные элементы выполнены, например, по типу колец или же (полых) цилиндров.

Является особо предпочтительным, что термоэлектрический материал соединен с соединительными элементами с силовым замыканием (запрессован), прежде всего без применения припоя или клея. Кроме того, предпочтительно, что соединительные элементы одновременно образуют диффузионный барьер для термоэлектрического материала, а также электрический проводник тока. В качестве материала для этих соединительных элементов предпочтение отдается никелю или молибдену, причем, они в каждом случае, совершенно особенно, предпочтительно, имеются в материале соединительных элементов в количестве, по меньшей мере, 95% по массе.

Таким образом, термоэлектрические материалы или же полупроводниковые элементы попеременно электрически соединены между собой соединительными элементами, так что из-за разности температур между внутренней краевой поверхностью и внешней краевой поверхностью возникает электрический ток через термоэлектрические материалы и термоэлектрический модуль. Электрическое соединение между термоэлектрическими материалами также может быть реализовано через металлическую перемычку, кабель, припой или тому подобное. Как уже было указано, электрическое соединение, предпочтительно, реализовано (только) посредством соединительного элемента.

Таким образом, предусмотренный согласно изобретению уплотнительный элемент закрывает промежуточное пространство термоэлектрического модуля на соответствующих концах термоэлектрического модуля в направлении наружу, так что промежуточное пространство уплотнено, по меньшей мере, относительно холодной стороны, но, предпочтительно, и относительно горячей стороны, так что холодная среда или же горячая среда не может проникать в промежуточное пространство. При этом уплотнительный элемент, предпочтительно, является отдельной деталью и не образуется полупроводниковыми материалами, соединительными элементами или внешней или внутренней трубкой, которая окружает термоэлектрический модуль. Таким образом, уплотнительный элемент имеет расширение в направлении оси, которое составляет, прежде всего, максимально 20%, предпочтительно максимально 10%, длины промежуточного пространства термоэлектрического модуля. Длина промежуточного пространства термоэлектрического модуля определяется наибольшим расстоянием полупроводниковых материалов друг от друга в направлении оси. При этом уплотнительный элемент имеет по меньшей мере один электрический проводник, который контактирует по меньшей мере с одним соединительным элементом внутри термоэлектрического модуля и поэтому может проводить созданный в термоэлектрическом модуле электрический ток через уплотнительный элемент наружу ко второму электрическому проводнику.

Прежде всего, уплотнительный элемент по меньшей мере, частично образует внутреннюю краевую поверхность и внешнюю краевую поверхность. Это означает, что уплотнительный элемент непосредственно обтекается горячей и/или холодной средой. При необходимости, уплотнительный элемент отделен от расположенной на внешней краевой поверхности холодной стороны только оболочкой, так что через уплотнительный элемент может протекать тепловой поток между холодной стороной и горячей стороной. Но поскольку уплотнительный элемент не имеет большого расширения в направлении оси, этот тепловой поток и без дополнительной теплоизоляции уплотнительного элемента может влиять на кпд термоэлектрического модуля лишь в незначительной степени. Уплотнение промежуточного пространства относительно холодной стороны и/или горячей стороны происходит, прежде всего, посредством сплошного соединения уплотнительного элемента с образующими внешнюю краевую поверхность и/или внутреннюю краевую поверхность соединительными элементами. Предпочтительно, уплотнительный элемент посредством электрического проводника электропроводным образом соединен с расположенными на внутренней краевой поверхности соединительными элементами, так что здесь обеспечено уплотнение промежуточного пространства относительно расположенной на внутренней краевой поверхности термоэлектрического модуля горячей стороны. Уплотнение на внешней краевой поверхности, предпочтительно, обеспечивается посредством образования уплотнительной поверхности между оболочкой и уплотнительным элементом. Оболочка служит, прежде всего, электрической изоляции соединительных элементов от холодной стороны. Такой электрический изоляционный слой также может быть предусмотрен и на внутренней краевой поверхности термоэлектрического модуля. Также и этот электрический изоляционный слой может быть нанесен там, прежде всего, после монтажа уплотнительного элемента на внутренней краевой поверхности термоэлектрического модуля. В этом случае уплотнительный элемент только электрическим изоляционным слоем отделен от расположенной на внутренней краевой поверхности термоэлектрического модуля холодной стороны или горячей стороны.

Поскольку уплотнительный элемент, по меньшей мере, частично образует внутреннюю краевую поверхность и, прежде всего, дополнительно внешнюю краевую поверхность термоэлектрического модуля, найдено простое конструктивное решение уплотнять промежуточное пространство термоэлектрического модуля и в то же время отводить наружу произведенный в термоэлектрическом модуле электрический ток. Является предпочтительным, что уплотнительный элемент согласно изобретению предусмотрен на обоих концах термоэлектрического модуля, причем на термоэлектрическом модуле могут быть установлены разные конструктивные варианты уплотнительного элемента.

Согласно одному особо предпочтительному варианту уплотнительный элемент выполнен неразъемно. За счет этого становится возможным то, что термоэлектрический модуль посредством добавления одной единственной детали, с одной стороны, уплотняется, по меньшей мере, относительно холодной стороны, а с другой стороны, электропроводным образом соединяется с расположенным вне термоэлектрического модуля вторым электрическим проводником. За счет этого реализуется простое решение, которое может обеспечить экономичный монтаж и длительную работоспособность термоэлектрического модуля. «Неразъемный» здесь означает, что уплотнительный элемент перед сборкой с термоэлектрическим модулем образует единственную конструктивную единицу, которая изготовлена, прежде всего, из нескольких отдельных компонентов, которые соединены между собой с силовым замыканием, геометрическим замыканием или сплошным образом.

Согласно другому, особо предпочтительному, варианту термоэлектрического модуля уплотнительный элемент образован из нескольких слоев и выполняет, по меньшей мере, следующие функции:

- образование электрического проводника для проведения электрического тока через уплотнительный элемент в направлении оси,

- изоляционный слой для электрической изоляции в радиальном направлении термоэлектрического модуля,

- уплотнение промежуточного пространства относительно жидкой и/или газообразной среды.

Поэтому, прежде всего, уплотнительный элемент выполняется по меньшей мере из одного керамического изоляционного слоя и по меньшей мере одного электрического проводящего слоя, которые простираются в радиальном направлении друг над другом в направлении оси через уплотнительный элемент и тем самым образуют уплотнительный элемент. Керамический материал, который пригоден для электрической и, при определенных условиях, и для термической изоляции уплотнительного элемента, при необходимости, обрамляется и соответственно стабилизируется металлическими несущими элементами. Кроме того, вместо керамического изоляционного слоя может быть применен слой из слюды. Предпочтительно, электрический проводник, по меньшей мере, на одной стороне внедрен в керамический материал или соединен с материалом слюды, причем, предпочтительно, уплотнительный элемент, а также отдельные слои выполнены соответственно в форме кольца или сегмента кольца и расположены один в другом. Предпочтительно, отдельные слои спрессованы друг с другом, так что получается, по меньшей мере, соединение с силовым замыканием, но если возможно, и сплошное соединение между отдельными слоями. Электрический проводник уплотнительного элемента, предпочтительно, выступает из уплотнительного элемента в направлении оси и поэтому может быть электропроводным образом соединен с соединительными элементами термоэлектрического модуля, прежде всего, сплошным соединением, например сваркой или пайкой, так что ток через термоэлектрический модуль по электрическому проводнику может проводиться ко второму электрическому проводнику. Благодаря применению слюдяного материала может быть достигнуто соединение с чисто силовым замыканием между несущим (-ими) элементом (-ами), электрическим проводником и изоляционным слоем. То есть, здесь можно отказаться от сплошного соединения (например, пайкой). При этом посредством прессования отдельных слоев друг с другом может быть достигнуто гибкое соединение изоляционного слоя с электрическим проводником или же с несущим элементом, так что могут быть компенсированы тепловые расширения в радиальном и аксиальном направлении. Кроме того, таким образом, соединение с силовым замыканием лучше подходит для того, чтобы в течение длительного времени воспринимать значительные усилия, которые передаются через уплотнительный элемент вследствие фиксации термоэлектрического модуля на термоэлектрическом генераторе или корпусе через крепление. Передача удерживающих сил через керамический изоляционный слой здесь скорее привело бы к отказу уплотнительного элемента.

Слюда - это филлосиликаты, в которых единая структура состоит из октаэдрической пластины (Os) между двумя противоположными тетраэдрическими пластинами (Ts). Эти пластины образуют слой, который отделен от соседних слоев поверхностями негидратированных катионов (I) промежуточных слоев. Последовательность такова: … I Ts Os Ts I Ts Os Ts … Ts имеют состав T₂O₅. Координирующие анионы вокруг октаэдрически координированных катионов (М) состоят из атомов кислорода соседних Ts и анионов А. Координация катионов промежуточных слоев номинально является 12-кратной, с упрощенной формулой, которая может быть описана следующим образом:

I М_2-3Х_1-0T₄O₁₀A₂

причем

I=Cs, K, Na, NH4, Rb, Ва, Са

М=LiFe⁺⁺ или ⁺⁺⁺, Mg, Mn⁺⁺ или ⁺⁺⁺, Zn, Al, Cr, V, Ti

Т=Be, Al, В, Fe⁺⁺⁺, Si

А=Cl, F, ОН, О (окси-слюда), S.

При этом совершенно особо предпочтительными являются следующие материалы: миканит (т.е., прежде всего, фрагменты слюды, которые с помощью искусственной смолы прессуются и спекаются в большие слюдяные пленки) с высокими сопротивлениями теплопроводности.

Другой особый конструктивный вариант термоэлектрического модуля направлен на то, что уплотнительный элемент имеет по меньшей мере один электрический изоляционный слой, а изоляционный слой, по меньшей мере, частично содержит слюдяной материал. При этом изоляционный слой соединен с уплотнительным материалом только с силовым замыканием. Уплотнительный элемент имеет, прежде всего, дополнительные детали (несущие элементы, соединительные элементы), которые соединены между собой сплошным образом, с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием. Но изоляционный слой соединен с, при определенных условиях, отдельными деталями уплотнительного элемента только с силовым замыканием, например, посредством прессования деталей друг с другом. Прежде всего, изоляционный слой образован исключительно из слюды.

Согласно другому конструктивному варианту термоэлектрического модуля внешняя краевая поверхность термоэлектрического модуля, по меньшей мере, частично образована оболочкой, а промежуточное пространство термоэлектрического модуля уплотнено относительно горячей стороны и/или холодной стороны, по меньшей мере, уплотнительной поверхностью, которая образуется оболочкой и уплотнительным элементом. Оболочка простирается, прежде всего, над соединительными элементами внешней краевой поверхности и тем самым образует внешнюю краевую поверхность термоэлектрического модуля. Эта оболочка соответственно содержит термоэлектрические элементы термоэлектрического модуля, которые на своей внешней стороне, по меньшей мере, частично электропроводным образом соединены между собой соединительными элементами. Предложенная здесь оболочка уплотняет промежуточное пространство термоэлектрического модуля относительно горячей стороны или же холодной стороны, которая расположена на внешней краевой поверхности, и образует вместе с уплотнительным элементом уплотнительную поверхность, так что на концах термоэлектрического модуля обеспечено уплотнение промежуточного пространства термоэлектрического модуля уплотнительным элементом. При этом уплотнительный элемент может иметь, прежде всего, обегающую в направлении вдоль окружности уплотнительную поверхность, которая, со своей стороны, окружена оболочкой. Прежде всего, между оболочкой и уплотнительной поверхностью уплотнительного элемента расположен клей, который, с одной стороны, обеспечивает усталостную прочность соединения оболочки и уплотнительного элемента, и в то же время делает возможным улучшенное уплотнение. К тому же уплотнительная поверхность может (дополнительно или вместо клея) иметь кольцо круглого сечения, которое расположено в уплотнительном элементе, например, в канавке, или же в самой оболочке, причем кольцо круглого сечения окружает уплотнительный элемент в направлении вдоль окружности. Предпочтительно, при расположении кольца круглого сечения в канавке уплотнительного элемента, оболочка дополнительно окружена другим фиксирующим элементом, который прижимает оболочку к кольцу круглого сечения или же к уплотнительной поверхности, так что обеспечено длительное уплотнение промежуточного пространства.

Этот вариант, прежде всего, является также реализуемым и на внутренней краевой поверхности термоэлектрического модуля. В этом случае внутренняя краевая поверхность термоэлектрического модуля, по меньшей мере, частично образуется оболочкой, и промежуточное пространство уплотняется, по меньшей мере, уплотнительной поверхностью, которая образуется оболочкой и уплотнительным элементом. Соответственно, оболочка простирается на соединительные элементы внутренней краевой поверхности и тем самым образует внутреннюю краевую поверхность термоэлектрического модуля. Следовательно, оболочка содержит термоэлектрические элементы термоэлектрического модуля, которые на своей внутренней стороне соединительными элементами, по меньшей мере, частично соединены между собой электропроводным образом. Предложенная здесь оболочка уплотняет промежуточное пространство термоэлектрического модуля относительно горячей стороны или же холодной стороны, которая расположена на внутренней краевой поверхности, и образует вместе с уплотнительным элементом уплотнительную поверхность, так что на концах термоэлектрического модуля обеспечено уплотнение промежуточного пространства. Другие приведенные выше высказывания относительно расположения клея и/или кольца круглого сечения являются действительными соответственно.

Кроме того, прежде всего, предусмотрен автомобиль с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), системой выпуска ОГ и системой охлаждения, которая содержит термоэлектрический генератор, который имеет по меньшей мере один термоэлектрический модуль согласно изобретению. Система выпуска ОГ простирается через внутреннюю краевую поверхность термоэлектрического модуля, а система охлаждения снаружи вдоль внешней краевой поверхности термоэлектрического модуля. Другими словами, это означает, что, например, холодная среда системы охлаждения проводится снаружи вдоль внешней краевой поверхности термоэлектрического модуля, так что внешняя краевая поверхность термоэлектрического модуля представляет собой холодную сторону. Это также означает, что горячий ОГ внутри протекает по каналу, который ограничен внутренней краевой поверхностью термоэлектрического модуля, так что тогда внутренняя краевая поверхность представляет собой горячую сторону. Является особо предпочтительным, чтобы при этом термоэлектрический генератор был выполнен по типу пучка труб, причем, тогда, с одной стороны, множество этих термоэлектрических модулей подсоединено к системе выпуска ОГ, так что они обтекаются горячим ОГ, а с другой стороны, термоэлектрические модули расположены, например, в общем (дистанцированном) корпусе, так что они могут вместе обтекаться потоком охлаждающего средства. Само собой разумеется, предусмотрены соответствующие электрические контакты и линии, чтобы реализовать надежную выработку тока и дальнейшее проведение тока, охлаждающего средства и ОГ. Прежде всего, также является возможным, что холодная среда системы охлаждения протекает внутри по каналу, который ограничен внутренней краевой поверхностью термоэлектрического модуля. В этом случае внешняя краевая поверхность образует горячую сторону, а внутренняя краевая поверхность холодную сторону.

Далее изобретение и технический контекст поясняются более подробно на фигурах. Следует указать на то, что показанные примеры осуществления являются предпочтительными, но изобретение ими не ограничено. Схематически показано на:

Фиг.1: автомобиль с термоэлектрическим генератором и множеством термоэлектрических модулей,

Фиг.2: трубчатый термоэлектрический модуль,

Фиг.3: конец термоэлектрического модуля с уплотнительным элементом,

Фиг.4: конец термоэлектрического модуля с другим уплотнительным элементом,

Фиг.5: конец термоэлектрического модуля с третьим уплотнительным элементом,

Фиг.6: конец термоэлектрического модуля с четвертым уплотнительным элементом.

На фиг.1 показан автомобиль 20 с двигателем 21 внутреннего сгорания (ДВС), системой 22 выпуска ОГ и системой 23 охлаждения, а также термоэлектрическим генератором 24 с множеством термоэлектрических модулей 1. Термоэлектрические модули 1 подсоединяются к системе 22 выпуска ОГ, так что ОГ протекает через термоэлектрические модули 1, причем система 23 охлаждения подсоединена к термоэлектрическому генератору 24 таким образом, что термоэлектрические модули 1 обтекаются холодной средой.

На фиг.2 показан трубчатый термоэлектрический модуль 1 с внутренней краевой поверхностью 2 и внешней краевой поверхностью 4, а также термоэлектрическими элементами 6, которые образованы легированными примесью n-типа и p-типа полупроводниковыми элементами 5, которые электрически соединены между собой попеременно на внутренней краевой поверхности 2 и на внешней краевой поверхности 4 посредством соединительных элементов 26. Термоэлектрические элементы 6 расположены в промежуточном пространстве 17, которое простирается между внутренней краевой поверхностью 2 и внешней краевой поверхностью 4 вдоль оси 3 термоэлектрического модуля 1. Внутренняя краевая поверхность 2 обтекается (горячей) средой 12 (ОГ), причем внешняя краевая поверхность 4 обтекается (холодной) средой 12 (охлаждающая жидкость), так что на внешней краевой поверхности 4 реализована так называемая холодная сторона 19, а на внутренней краевой поверхности 2 так называемая горячая сторона 18. Между внешней краевой поверхностью 4 и термоэлектрическими элементами 6 или же соединительными элементами 26, кроме того, расположен изоляционный слой 16, так что среда 12 на холодной стороне 19 выполнена электрически изолированной от соединительных элементов 26. Термоэлектрический модуль 1 имеет на своих соответствующих концах 33, которые расположены вдоль оси 3, соответственно один уплотнительный элемент 7, который здесь расположен внутри оболочки 14 и, по меньшей мере, частично образует внешнюю краевую поверхность 4 или же внутреннюю краевую поверхность 2. Уплотнительный элемент 7 имеет электрический проводник 8, который электропроводным образом соединяет соединительные элементы 26 с расположенным вне термоэлектрического модуля 1 вторым электрическим проводником 9. Через этот второй электрический проводник 9 множество термоэлектрических модулей 1 может быть соединено между собой последовательно или параллельно, так что термоэлектрический генератор может быть построен из множества термоэлектрических модулей 1. Промежуточное пространство 17 термоэлектрического модуля 1 имеет длину в направлении оси 3, которая определена расстоянием 34 между крайними полупроводниковыми элементами 5. Уплотнительный элемент 7 имеет протяженность 35 в направлении оси 3.

На фиг.3 показан конец термоэлектрического модуля 1 с уплотнительным элементом 7. Внутренняя краевая поверхность 2 термоэлектрического модуля 1, по меньшей мере, частично образуется соединительными элементами 26 и электрическим проводником 8 уплотнительного элемента 7, а внешняя краевая поверхность 4, по меньшей мере, частично - оболочкой 14. Полупроводниковые элементы 5 легированы соответственно примесью n-типа и p-типа и попеременно электрически соединены между собой посредством соединительных элементов 26. Здесь соединительные элементы 26 не образуют замкнутую внутреннюю краевую поверхность 2 или же внешнюю краевую поверхность 4, так что дополнительно, по меньшей мере, на внутренней краевой поверхности 2 предусмотрены уплотнения 28, которые предотвращают проникновение среды 12 от горячей стороны 18 в промежуточное пространство 17 термоэлектрического модуля 1 или же в щель 13 между полупроводниковыми элементами 5.

Предпочтительно, уплотнения 28 выполнены так, что они через образованную соединительными элементами 26 внутреннюю краевую поверхность 2 вдаются в окруженный внутренней краевой поверхностью 2 канал. Таким образом, уплотнениями 28 могут быть образованы генераторы турбулентности, которые осуществляют дополнительное завихрение среды 12 и таким образом улучшают теплопередачу между средой 12 и термоэлектрическим модулем 1.

Уплотнительный элемент 7 закрывает термоэлектрический модуль 1 на конце 33 наружу, так что, по меньшей мере, от холодной стороны 19 среда 12 не может проникать в промежуточное пространство 17 термоэлектрического модуля 1. Для этой цели между оболочкой 14 и уплотнительным элементом 7 образуется уплотнительная поверхность 25, которая здесь образована несущим элементом 29, который окружает электрический и, при необходимости, термический изоляционный слой 16. Этот несущий элемент 29 служит для стабилизации, предпочтительно, керамического изоляционного слоя 16. Изоляционный слой 16, со своей стороны, окружает электрический проводник 8 уплотнительного элемента 7, который через место 27 соединения, которое здесь, как показано, через внешнюю краевую поверхность 4 является доступным для процесса соединения, соединен с электропроводными соединительными элементами 26 термоэлектрического модуля 1.

Здесь предусмотрено, что уплотнительный элемент 7, по меньшей мере, частично образует внешнюю краевую поверхность 4 и внутреннюю краевую поверхность 2 термоэлектрического модуля 1, причем также охвачено, что лишь одно относящееся к уплотнительному элементу 7 крепление 36 непосредственно контактирует со средой 12. Посредством крепления 36 термоэлектрический модуль 1, при определенных условиях, вместе с дополнительными термоэлектрическими модулями 1, фиксируется в корпусе, так что образуется термоэлектрический генератор. Протяженность 35 уплотнительного элемента 7 в направлении оси 3 здесь определяется электрическим проводником 8, который выступает по обе стороны уплотнительного элемента 7. Электрический проводник 8 контактирует со вторым электрическим проводником 9, посредством которого термоэлектрический модуль 1 может быть электрически соединен с другими термоэлектрическими модулями 1 параллельно или последовательно.

На фиг.4 показан конец 33 термоэлектрического модуля 1 с другим уплотнительным элементом 7. И здесь промежуточное пространство 17 термоэлектрического модуля 1 окружено внутренней краевой поверхностью 2 и внешней краевой поверхностью 4, причем внешняя краевая поверхность 4, по меньшей мере, частично образована оболочкой 14. Кроме того, между полупроводниковыми элементами 5 образована щель 13, которая, как показано здесь, имеет отверстие 37 через внутреннюю краевую поверхность 2 к горячей стороне 18. Но это отверстие 37 к горячей стороне 18 закрывается уплотнением 28, так что полупроводниковые элементы 5 или же соединительные элементы 26 тепло- и электропроводным образом изолированы посредством щели 13, которая наполнена, прежде всего, воздухом или подходящим изоляционным материалом. Другой уплотнительный элемент 7 через место 27 соединения соединен соединительным элементом 26 таким образом, что произведенный в термоэлектрическом модуле 1 электрический ток 15 течет от соединительного элемента 26 через место 27 соединения к электрическому проводнику 8 и через сборное устройство в форме второго электрического проводника 9, который расположен на электрическом проводнике 8, является соединяемым с другими электрическими проводниками 8. Уплотнительный элемент 7 в радиальном направлении 11 состоит из нескольких слоев (10) и на своей внутренней и внешней краевой поверхности имеет несущие элементы 29, которые выполнены, прежде всего, металлическими, и которые содержат расположенный между ними кольцеобразный изоляционный материал в качестве изоляционного слоя 16. Этот изоляционный слой 16 служит для электрической изоляции электрического проводника 8 от холодной стороны 19.

На фиг.5 показан третий конструктивный вариант уплотнительного элемента 7 на конце 33 термоэлектрического модуля 1. Термоэлектрический модуль 1 имеет расположенные в промежуточном пространстве 17 вдоль оси 3 полупроводниковые элементы 5, которые образуют термоэлектрические элементы 6. Между полупроводниковыми элементами 5 расположена щель 13, которая соединена с расположенной на внутренней краевой поверхности 2 горячей стороной 18. Полупроводниковые элементы 5 электрически попеременно соединены друг с другом посредством соединительных элементов 26, так что при наличии холодной стороны 19 и горячей стороны 18 является генерируемым электрический ток через термоэлектрический модуль 1. На конце 33 термоэлектрический модуль 1 уплотнен уплотнительным элементом 7, причем внешний кольцеобразный несущий элемент 29 окружает изоляционный слой 16, который, со своей стороны, окружает электрический проводник 8. Электрический проводник 8 через место 27 соединения электропроводным образом соединен с соединительными элементами 26. После установки уплотнительного элемента 7 на внутренней краевой поверхности 2 наносится другой изоляционный слой 16, который через отверстие 37 внутренней краевой поверхности 2 также простирается в соответствующие щели 13 между полупроводниковыми элементами 5 и, по меньшей мере, частично заполняет эти полости. Этот особо предпочтительный конструктивный вариант термоэлектрического модуля 1 обеспечивает возможность особенно простого изготовления термоэлектрического модуля 1, причем после установки уплотнительного элемента 7 на внешней краевой поверхности 4 располагается оболочка 14 и тем самым образует внешнюю краевую поверхность термоэлектрического модуля 1. Добавленный здесь после установки уплотнительного элемента 7 изоляционный слой 16 в последующем в области внутренней краевой поверхности 2 может быть снова удален, так что изоляционным материалом заполнены только щели 13 и отверстия 37, однако внутренняя краевая поверхность 2, по меньшей мере, частично образуется соединительными элементами 26 и электрическим проводником 8.

На фиг.6 показан четвертый конструктивный вариант уплотнительного элемента 7, который расположен на конце 33 термоэлектрического модуля 1. Здесь предусмотрен составной уплотнительный элемент 7, который электропроводным образом соединен с расположенным на внешней краевой поверхности 4 соединительным элементом 26. Электрический проводник 8 здесь выполнен в виде гильзы, которая, со своей стороны, несет в себе другой элемент 38 уплотнительного элемента 7, который электрически изолирован от электрического проводника 8 изоляционным слоем 16. При этом на внешней краевой поверхности 4 расположена оболочка 14, которая на уплотнительном элементе 7 вместе с кольцом 31 круглого сечения и фиксирующим элементом 30 образует уплотнительную поверхность 25. Кроме того, предусмотрен клей 32, который дополнительно поддерживает уплотнение промежуточного пространства 17 от холодной стороны 19. Электрический проводник 8 через место 27 соединения, здесь сварное соединение, электропроводным образом соединен с соединительным элементом 26. Внутренняя краевая поверхность 2, по меньшей мере, частично образуется соединительными элементами 26 и электрическим проводником 8 уплотнительного элемента 7. Имеющаяся между полупроводниковыми элементами 5 или же между полупроводниковыми элементами 5 и уплотнительным элементом 7 электрически изолирующая щель 13 здесь уплотнением 28 газонепроницаемо отделена от горячей стороны 18.

Уплотнительный элемент 7 имеет следующую дополнительную функцию, заключающуюся в том, что термоэлектрический модуль 1 посредством уплотнительного элемента 7 соединен с термоэлектрическим генератором 24, причем уплотнительный элемент 7 посредством крепления 36 обеспечивает механическую фиксацию термоэлектрического модуля 1 внутри термоэлектрического генератора. Для лучшей передачи сил от крепления 36 через другой элемент 38 к электрическому проводнику 8 в качестве изоляционного слоя 16 предпочтительным является слюдяной материал. Изоляционный слой 16, электрический проводник 8 и дополнительный элемент 38 механически спрессовываются друг с другом, так что получается соединение деталей между собой с чисто силовым замыканием. За счет этого получается соединение, которое может безотказно компенсировать термические и механические напряжения и различные расширения деталей. Кроме того, электрическая изоляция может быть расположена между электрическим проводником 8 и дополнительным элементом 38, так что вследствие гибкого соединения деталей друг с другом электрический проводник 8 и дополнительный элемент 38 не контактируют один в другой в результате относительного движения в направлении оси 3. Вместо этой дополнительной электрической изоляции также может быть предусмотрен механический ограничитель, который предотвращает такое контактирование.

За счет уплотнительного элемента 7 обеспечивается конструктивно очень простое уплотнение промежуточного пространства 17 термоэлектрического модуля 1, так как уплотнительный элемент 7 простирается от внутренней краевой поверхности 2 до внешней краевой поверхности 4 и, при определенных условиях, отделен от расположенной там холодной стороны 19 только оболочкой 14. Благодаря установленной лишь после фиксации уплотнительного элемента 7 оболочке 14 можно отказаться от трудоемкого анализа допусков, так как уплотнительный элемент 7 в направлении оси 3 примыкает к отдельным компонентам термоэлектрического модуля 1 и не должен вставляться в жесткую оболочку 14, причем для уплотнения было бы необходимо обеспечивать соответствующие припасовки. Более того, происходит стыковое соединение между электрическим проводником 8 уплотнительного элемента 7 и соединительными элементами 26 в местах 27 соединения, причем уплотнение промежуточного пространства 17 на одной стороне происходит посредством мест 27 соединения, а на другой стороне, прежде всего, на внешней краевой поверхности 4, посредством оболочки 14 в сочетании с уплотнительным элементом 7.

Изобретение может быть использовано в термоэлектрическом генераторе, предназначенном для автомобиля. Термоэлектрический модуль (1) имеет внутреннюю (2) и внешнюю (4) краевые поверхности, соответствующие горячей (18) и холодной (19) сторонам модуля или наоборот, расположенное между ними промежуточное пространство (17), геометрическую ось (3) и по меньшей мере один уплотнительный элемент (7), который по меньшей мере частично образует внутреннюю краевую поверхность (2) или отделен от расположенной там горячей стороны (18) или холодной стороны (19) только электрическим изоляционным слоем (16). Уплотнительный элемент (7) уплотняет промежуточное пространство (17) по меньшей мере относительно холодной стороны (19) и имеет по меньшей мере один электрический проводник (8), который соединяет по меньшей мере один расположенный в термоэлектрическом модуле (1) термоэлектрический элемент (6) по меньшей мере с одним вторым электрическим проводником (9), который расположен вне термоэлектрического модуля (1). Раскрыт автомобиль, имеющий термоэлектрический генератор. Технический результат заключается в упрощении сборки элементов модуля. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Термоэлектрический модуль (1), имеющий внутреннюю (2) и внешнюю (4) краевые поверхности, соответствующие горячей (18) и холодной (19) сторонам модуля или наоборот, расположенное между ними промежуточное пространство (17), геометрическую ось (3) и по меньшей мере один уплотнительный элемент (7), который по меньшей мере частично образует внутреннюю краевую поверхность (2) или отделен от расположенной там горячей стороны (18) или холодной стороны (19) только электрическим изоляционным слоем (16), причем уплотнительный элемент (7) уплотняет промежуточное пространство (17) по меньшей мере относительно холодной стороны (19) и имеет по меньшей мере один электрический проводник (8), который соединяет по меньшей мере один расположенный в термоэлектрическом модуле (1) термоэлектрический элемент (6) по меньшей мере с одним вторым электрическим проводником (9), который расположен вне термоэлектрического модуля (1).

2. Термоэлектрический модуль (1) по п. 1, в котором уплотнительный элемент (7) выполнен неразъемно.

3. Термоэлектрический модуль (1) по п. 1 или 2, в котором уплотнительный элемент (7) образован из нескольких слоев (10) и выполняет, по меньшей мере, следующие функции:
- образование электрического проводника (8) для проведения электрического тока (15) через уплотнительный элемент (7) в направлении оси (3),
- изоляционный слой (16) для электрической изоляции в радиальном направлении (11) термоэлектрического модуля (1),
- уплотнение промежуточного пространства (17) относительно жидкой и/или газообразной среды (12).

4. Термоэлектрический модуль (1) по п. 1 или 2, в котором уплотнительный элемент (7) имеет по меньшей мере один электрический изоляционный слой (16), и изоляционный слой (16), по меньшей мере, частично содержит слюдяной материал и соединен с уплотнительным элементом (7) только с силовым замыканием.

5. Термоэлектрический модуль (1) по п.1 или 2, в котором внешняя краевая поверхность (4) термоэлектрического модуля (1), по меньшей мере, частично образована посредством оболочки (14), и промежуточное пространство (17) термоэлектрического модуля (1) уплотняется относительно горячей стороны (18) и/или холодной стороны (19), по меньшей мере, уплотнительной поверхностью (25), которая образуется посредством оболочки (14) и уплотнительного элемента (7).

6. Автомобиль (20) с двигателем (21) внутреннего сгорания, системой (22) выпуска отработанного газа и системой (23) охлаждения, причем предусмотрен термоэлектрический генератор (24), который имеет по меньшей мере один термоэлектрический модуль (1) по одному из предшествующих пунктов, причем система (22) выпуска отработанного газа простирается через внутреннюю краевую поверхность (2) термоэлектрического модуля (1), а система (23) охлаждения простирается снаружи вдоль внешней краевой поверхности (4) термоэлектрического модуля (1).