ТРУБЧАТЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЕГО КОНСТРУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2017 года по МПК H01L35/34 H01L35/02 H01L35/32 

Настоящее изобретение относится к трубчатому термоэлектрическому модулю и способу изготовления его конструктивного элемента.

Термоэлектрический модуль предназначен для выработки электрической энергии, например, из отработавшего газа (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС) посредством генератора. При этом имеется в виду, прежде всего, генератор для преобразования тепловой энергии ОГ в электрическую энергию, то есть так называемый термоэлектрический генератор.

ОГ из ДВС автомобиля обладает тепловой энергией, которая посредством термоэлектрического генератора может быть преобразована в электрическую энергию, чтобы, например, наполнять аккумуляторную батарею или другой накопитель энергии и/или подводить необходимую энергию прямо к электрическим потребителям. Таким образом, автомобиль эксплуатируется с лучшим энергетическим КПД, и для эксплуатации автомобиля в распоряжении имеется энергия в большем объеме.

Термоэлектрический модуль имеет по меньшей мере несколько термоэлектрических элементов. Термоэлектрические материалы являются материалами такого вида, что они могут эффективно преобразовывать тепловую энергию в электрическую энергию (эффект Зеебека) и наоборот (эффект Пельтье). Термоэлектрические элементы содержат, например, два полупроводниковых элемента (легированных примесью р-типа и легированных примесью n-типа), которые на своих противолежащих концах, которые ориентированы к горячей стороне или же к холодной стороне и попеременно снабжены перемычками из электропроводного материала. В термоэлектрическом модуле несколько этих полупроводниковых элементов соединены электрически последовательно. Чтобы генерированная разность потенциалов последовательных полупроводниковых элементов взаимно не уничтожалась, постоянно попеременно полупроводниковые элементы приведены в прямой электрический контакт с разными основными носителями заряда (легированными примесью n-типа и легированными примесью р-типа). Посредством подсоединенного нагрузочного сопротивления цепь тока может замыкаться, и тем самым может отбираться электрическая мощность.

Уже были предприняты попытки создания соответствующих термоэлектрических модулей для применения в автомобилях, прежде всего в легковых автомобилях. Однако они в большинстве случаев дороги в изготовлении и характеризуются относительно низким КПД. Таким образом, пригодности к серийному производству добиться еще не удалось.

Прежде всего, способы изготовления термоэлектрического модуля являются трудоемкими и затратоемкими, так как в термоэлектрический модуль должно быть собрано большое количество конструктивных деталей, и соответственно должны быть взаимно согласованы допуски конструктивных деталей.

Исходя из этого задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы по меньшей мере частично решить указанные в связи с уровнем техники проблемы. Прежде всего, способ изготовления трубчатых термоэлектрических модулей должен быть упрощен за счет того, что может быть уменьшено количество деталей, и уменьшено или даже предотвращено необходимое до сих пор согласование отдельных допусков.

Эти задачи решены с помощью способа изготовления конструктивного элемента для термоэлектрического модуля в соответствии с признаками п. 1 формулы изобретения. Благоприятные варианты осуществления изобретения, а также интеграция (изготовленных таким образом) конструктивных элементов в вышестоящие конструктивные узлы (как например, термоэлектрический модуль или термоэлектрический генератор) указаны в зависимых пунктах формулы. Приведенные в формуле изобретения отдельно признаки являются комбинируемыми между собой любым технологически рациональным образом и показывают дополнительные варианты осуществления изобретения. Тем самым, прежде всего, имеется в виду, что относящиеся к нити пояснения являются в равной мере применимыми к приведенному способу изготовления конструктивного элемента, как и к термоэлектрическому модулю, и наоборот. Описание, прежде всего, в связи с фигурами, поясняет изобретение и приводит дополнительные примеры осуществления изобретения.

Предлагаемый в изобретении способ изготовления конструктивного элемента для термоэлектрического модуля включает по меньшей мере следующие шаги: а) обеспечение по меньшей мере одной нити, имеющей протяженность, б) обеспечение трубчатого приемного элемента, имеющего внешнюю периферическую поверхность, в) нанесение термоэлектрического материала по меньшей мере на одну нить, г) наматывание по меньшей мере одной нити вокруг трубчатого приемного элемента с образованием на внешней периферической поверхности по меньшей мере одного кольцеобразного конструктивного элемента, размещаемого вместе с другими кольцеобразными конструктивными элементами между внешней оболочкой и внутренней оболочкой трубчатого термоэлектрического модуля.

Как указано выше, у нити имеется протяженность, и нить содержит по меньшей мере частично термоэлектрический материал. Протяженность описывает, прежде всего, длину нити, причем нить, кроме того, описана диаметром, который определен как (наибольший) диаметр поперечного сечения нити.

Нить является, прежде всего, (без термоэлектрического материала) легко деформируемой, наматываемой, и т.д. Нить может быть выполнена одинарной или составной (например, из нескольких волокон/филаментов). Если нить выполнена составной, участками это может происходить по-разному, например, когда количество и/или расположение волокон/филаментов в разных секторах/участках нити является различным.

Нить имеет, прежде всего, протяженность, которая в техническом смысле может быть названа бесконечной. «Бесконечной» здесь означает, что нить имеет такую протяженность, что при использовании в процессе изготовления для (термоэлектрического) конструктивного элемента она регулярно отрезается.

Прежде всего, протяженность составляет по меньшей мере 50 мм [миллиметров], прежде всего по меньшей мере 500 мм, а предпочтительно более чем 1000 мм.

В нити также могут применяться волокна из различных материалов.

Предпочтительно нить образована, по меньшей мере частично по меньшей мере одним материалом из группы:

- керамический материал,

- стекловолоконный материал,

- углеродное волокно,

- металлический материал,

- термоэлектрический материал.

За счет выбора материала волокна свойства нити, прежде всего, на отдельных участках, могут быть отрегулированы с ориентацией на применение. Таким образом, нить может иметь, прежде всего, следующие свойства (отдельно или же в комбинации): термоэлектрическая, электропроводная, электроизолирующая, теплопроводная, теплоизолирующая, герметизирующая и/или высокая механическая прочность.

В качестве термоэлектрического материала применяются, прежде всего, следующие материалы:

Тип: Материал:

Согласно одному предпочтительному варианту нить вдоль протяженности имеет различные термоэлектрические материалы. Другими словами, это, прежде всего, означает, что в направлении протяженности (один за другим или же примыкая друг к другу) образованы по меньшей мере два сектора нити, которые имеют разные термоэлектрические материалы. Это относится, прежде всего, к случаю, когда нить имеется еще как исходный элемент для изготовления термоэлектрической конструктивной детали, то есть, прежде всего, далее еще происходит разделение между секторами нити. Прежде всего, эти различные термоэлектрические материалы отличаются в отношении температурозависимых максимумов эффективности. Каждый термоэлектрический материал имеет характерную оптимальную температуру применения, при которой достигается максимальный КПД относительно преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. Является возможным, что термоэлектрические материалы секторов нити легированы примесями разных типов.

Прежде всего, нить вдоль протяженности также содержит нетермоэлектрический материал. Прежде всего, это означает, что вдоль протяженности предусмотрены участки, которые образуются исключительно нетермоэлектрическим материалом. Прежде всего, нить имеет несколько участков с по меньшей мере частично чередующимся термоэлектрическим материалом и нетермоэлектрическим материалом.

Согласно одному особо благоприятному варианту нити на нее вдоль протяженности (дополнительно) нанесено покрытие с помощью материала (термоэлектрический материал, нетермоэлектрический материал). Под этим, прежде всего, имеется в виду, что в нити или же на поверхности нити предусмотрено покрытие, которое содержит термоэлектрический материал и/или нетермоэлектрический материал. Поскольку в одной (отдельной) нити предусмотрены различные материалы, эти покрытия, как правило, предусмотрены не одно на другом, а рядом друг с другом. Толщина слоя тоже может варьироваться, но это не является настоятельно необходимым. Является предпочтительным, что толщина слоя, начиная от поверхности нити, имеет такую величину, чтобы был образован закрытый поверхностный слой, но нить с (при определенных условиях, еще не фиксированным) покрытием еще могла быть деформирована.

Прежде всего, нить имеет по меньшей мере одно волокно, прежде всего, волокно с прочностью на растяжение R_m по меньшей мере 200 Н/мм².

Кроме того, является предпочтительным, что по меньшей мере на одно из волокон нити нанесено покрытие с помощью по меньшей мере одного материала из группы:

- термоэлектрический материал,

- нетермоэлектрический материал,

- электроизолирующий материал,

- электропроводный материал,

- теплоизолирующий материал,

- теплопроводный материал,

- герметизирующий материал (по отношению к газу и/или жидкостям).

Указанные относительно свойства или же параметры материалов соотнесены с используемым термоэлектрическим материалом, который применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую. Это, прежде всего, означает, что «электроизолирующий» значит, что электропроводность материала меньше, чем электропроводность термоэлектрического материала. То же самое относится к свойствам «электропроводный» (в этом случае только выше), «теплоизолирующий», «теплопроводный» и «герметизирующий».

Прежде всего, нить на разных участках имеет разные покрытия, прежде всего по меньшей мере с одним материалом указанной выше группы. На отдельных участках также возможны комбинации этих свойств или же материалов. Прежде всего, могут быть предусмотрены участки, на которых в качестве покрытия имеется материал, который является как электроизолирующим, так и теплоизолирующим.

Прежде всего, нить имеет несколько волокон, которые скручены между собой. Количество волокон может составлять, например, от 2 до 30, причем предпочтительным является использование от 2 до 10 волокон.

Скрученное расположение волокон имеется, прежде всего, тогда, когда волокна вдоль протяженности прилегают друг к другу и обхватывают друг друга. Под скручиванием подразумевается, прежде всего, взаимное скручивание и/или винтовая намотка волокон одно вокруг другого.

Предпочтительно по меньшей мере два вида волокон с различными свойствами скручиваются между собой на одинаковых участках нити. Таким образом могут комбинироваться волокна, которые имеют нетермоэлектрические и теплоизолирующие, а также электроизолирующие свойства. Нить может быть усилена, прежде всего, волокнами с высокой механической прочностью.

Согласно одному особо благоприятному варианту нити нить имеет полости. Полости могут быть выполнены, например, по типу пор. При этом полости могут быть закрытыми и/или соединенными между собой. Как правило, полости по меньшей мере частично образуются/ограничиваются материалом нити или же волокон. Полости могут быть образованы между волокнами и/или в волокнах.

Прежде всего, полости по меньшей мере частично заполнены по меньшей мере одним материалом из группы:

- термоэлектрический материал,

- нетермоэлектрический материал,

- электроизолирующий материал,

- электропроводный материал,

- теплоизолирующий материал,

- теплопроводный материал,

- герметизирующий материал (по отношению к газу и/или жидкостям).

Предпочтительно, нить по меньшей мере в радиальном направлении или в направлении протяженности имеет различные параметры материала. При этом нить может иметь параметры материала и в обоих направлениях. Прежде всего, различные параметры материала получаются за счет применения различных материалов и за счет различного строения нити и/или за счет различной обработки во время изготовления нити. Такая обработка может содержать, например, термическую обработку и/или обработку давлением или тому подобное (например, процесс спекания).

Согласно одному благоприятному варианту нить, прежде всего в направлении протяженности, имеет разные площади поперечного сечения. «Разные» здесь означает, что диаметр или же величина площади поперечного сечения в направлении протяженности изменяется. Это изменение может происходить ступенчато и/или непрерывно. За счет этих разных площадей поперечного сечения могут быть получены и очень тонкие слои на термоэлектрическом модуле так что, прежде всего, является изготавливаемым и весь термоэлектрический модуль по меньшей мере частично из одной или нескольких из предложенных нитей.

Прежде всего, нить является наматываемой на внешней периферической поверхности трубчатого приемного элемента в многослойной в радиальном направлении обмотке и таким образом может образовывать по меньшей мере один трубчатый, легированный примесью n-типа или примесью р-типа термоэлектрический полупроводниковый элемент, который вместе с другими трубчатыми конструктивными элементами является располагаемым между внешней оболочной и внутренней оболочкой трубчатого термоэлектрического модуля.

Теперь нить дополнительно применяется в связи с предпочтительным способом изготовления конструктивного элемента для термоэлектрического модуля.

Способ изготовления конструктивного элемента термоэлектрического модуля имеет, по меньшей мере следующие шаги:

а) обеспечение по меньшей мере одной нити, имеющей протяженность,

б) нанесение термоэлектрического материала по меньшей мере на одну нить,

в) обеспечение трубчатого приемного элемента, имеющего внешнюю периферическую поверхность,

г) наматывание по меньшей мере одной нити на трубчатый приемный элемент, так что на внешней периферической поверхности образовывается трубчатый конструктивный элемент для термоэлектрического модуля.

Конструктивным элементом для термоэлектрического модуля можно, прежде всего, назвать трубчатый термоэлектрический полупроводниковый элемент. Несколько таких легированных примесью n-типа и легированных примесью р-типа полупроводниковых элементов позднее располагаются попеременно друг за другом и с помощью соответствующего электрического соединения монтируются в трубчатый термоэлектрический модуль. Попеременное электрическое соединение делает возможным то, что имеющийся на термоэлектрическом модуле температурный потенциал может быть преобразован в электрический ток. Дополнительно к термоэлектрическим конструктивным элементам также могут быть изготовлены электроизолирующие или же теплоизолирующие кольцеобразные конструктивные элементы, которые расположены между термоэлектрическими конструктивными элементами. Кроме того, также могут быть изготовлены электропроводные, как и теплопроводные конструктивные элементы, которые применяются, например, для электропроводного соединения отдельных термоэлектрических конструктивных элементов.

Способ подходит, прежде всего, для того, чтобы изготавливать по меньшей мере отдельные конструктивные элементы для термоэлектрического модуля и, прежде всего, целого термоэлектрического модуля с одиночной нитью или несколькими нитями друг за другом и/или параллельно. Прежде всего, обеспечивается (бесконечная) нить, которая на одинаковых и/или отдельных участках имеет различные материалы и/или различные свойства. Свойствами нити могут быть, например:

- термоэлектрическое свойство для преобразования температурного потенциала в электрический ток,

- электроизолирующее свойство, то есть меньшая электрическая проводимость [ампер/(вольт*метр)], чем у термоэлектрического материала,

- электропроводное свойство, то есть более высокая электрическая проводимость [ампер/(вольт*метр)], чем у термоэлектрического материала,

- теплоизолирующее свойство, то есть меньшая удельная теплопроводность [ватт/(кельвин*метр)], чем у термоэлектрического материала,

- теплопроводное свойство, то есть более высокая удельная теплопроводность [ватт/(кельвин*метр)], чем у термоэлектрического материала,

- высокая механическая прочность (прежде всего, прочность на растяжение величиной более чем 200 Н/ мм²),

- герметизирующее свойство по отношению к газу и/или жидкостям.

Приведенные здесь определения для понятий «электроизолирующий», «электропроводный», «теплоизолирующий», «теплопроводный» относятся не только к свойствам нити, но и к покрытию, волокну, конструктивным элементам и расположенным в полостях материалам.

В принципе, шаги способа могут выполняться в обозначенной здесь буквами последовательности, но это не является настоятельно необходимым.

Прежде всего, некоторые/все шаги также могут происходить по меньшей мере одновременно. Так, например, нить может сниматься с катушки (шаг а)), проводиться через ванну для нанесения покрытия (шаг в)), далее направляться к приемному элементу и там наматываться (шаги б) и г)). Также является возможным, что нить располагается на приемном элементе без термоэлектрического материала, а затем происходит нанесение термоэлектрического материала (например, в образованные таким образом полости). Кроме того, является возможным наматывать нить внутри ванны для нанесения покрытия. Кроме того, также является возможным, что, при необходимости, шаги выполняются повторно, как например, обеспечение множества нитей и/или приемных элементов, а также, при необходимости, повторное нанесение термоэлектрического материала (на разные участки нити и/или в разные моменты времени).

Шаг г), предпочтительно, выполняется так, чтобы по меньшей мере часть внешней периферической поверхности приемного элемента была покрыта содержащей термоэлектрический материал нитью. Прежде всего, таким образом в радиальном направлении наружу образуется многослойная обмотка нитью, так что радиальная толщина кольцеобразной конструктивной детали составляет многократную величину диаметра нити. При этом может быть предусмотрена обмотка несколькими нитями и/или с разной ориентацией.

Согласно одному особо благоприятному варианту трубчатый приемный элемент имеет по меньшей мере одно, в периферическом направлении по меньшей мере частично обегающее ребро, так что в осевом направлении на внешней периферической поверхности трубчатого приемного элемента образованы карманы, которые по меньшей мере частично заполнены по меньшей мере одной нитью.

Обеспеченный трубчатый приемный элемент представляет собой, прежде всего, внутреннюю оболочку трубчатого термоэлектрического модуля. Но, прежде всего, трубчатый приемный элемент является независимым от изготавливаемого термоэлектрического модуля, так что кольцеобразный конструктивный элемент является снимаемым с приемного элемента. Трубчатый приемный элемент служит, прежде всего, в качестве внутренней формы для кольцеобразного конструктивного элемента, так что по меньшей мере одна нить исходя из трубчатого приемного элемента создает кольцеобразный конструктивный элемент последовательно в радиальном направлении и в периферическом направлении, а также в осевом направлении.

Прежде всего, ребра соединены с трубчатым приемным элементом с геометрическим замыканием или же сплошным образом. При соединении с геометрическим замыканием один из партнеров по соединению стоит на пути другого, то есть блокирует возможность его движения, например, посредством зацепления. Сплошными соединениями называются все соединения, при которых партнеры по соединению удерживаются вместе атомарными и молекулярными силами. Прежде всего, ребра, в зависимости от прогресса намотки в осевом направлении, последовательно наносятся на трубчатый приемный элемент.

Между отдельными ребрами образуются карманы, которые, прежде всего, отделяют друг от друга изготовленные данным способом кольцеобразные конструктивные элементы в осевом направлении.

Прежде всего, также могут применяться несколько различных нитей, которые в разных или же одинаковых карманах или одновременно создают кольцеобразные конструктивные элементы.

Согласно одному особому варианту способа обеспечивается несколько нитей, которые одновременно наносятся на трубчатый приемный элемент на шаге г). При этом несколько нитей могут иметь одинаковые или разные материалы. Кроме того, несколько нитей по меньшей мере частично могут иметь идентичное строение.

Прежде всего, ребра могут быть образованы электроизолирующими нитями, причем при определенных условиях одновременно имеется теплоизолирующее свойство нити. Также является возможным, что используемая нить на разных участках имеет соответственно разные свойства, так что в заранее определенных местах вдоль трубчатого приемного элемента могут быть получены термоэлектрические конструктивные элементы, электроизолирующие конструктивные элементы, электропроводные конструктивные элементы, теплоизолирующие конструктивные элементы, теплопроводные конструктивные элементы или герметизирующие конструктивные элементы. Эти различные конструктивные элементы могут быть получены и расположены вдоль осевого направления и/или вдоль периферического направления рядом друг в другом и/или в радиальном направлении друг над другом.

Прежде всего, полученные таким образом конструктивные элементы также могут подаваться на следующие шаги способа уже после лишь частичного получения. Эти шаги способа могут включать, например, термообработку и/или обработку давлением (например, процесс спекания). Кроме того, могут быть введены шаги способа для нанесения покрытия.

Прежде всего, дополнительно совместно наматывается по меньшей мере одна нить из нетермоэлектрического материала. Она может быть предусмотрена, например, для создания полостей и/или для установки желательной прочности.

Согласно одному особо благоприятному варианту шаг в) выполняется по меньшей мере частично одновременно с шагом г) и/или после него.

Термоэлектрический материал может наноситься по меньшей мере на частично изготовленный конструктивный элемент в виде покрытия, например, способом напыления или нанесение пастообразной массы. При необходимости, за этим следуют и/или периодически выполняются дальнейшие шаги способа (термическая обработка или обработка давлением).

Прежде всего, для выполнения способа может применяться по меньшей мере одна нить, которая, прежде всего, также и в направлении протяженности имеет разные поперечные сечения. За счет этих разных поперечных сечений могут быть также получены очень тонкие слои на термоэлектрическом модуле, так что, прежде всего, и весь термоэлектрический модуль является изготавливаемым по меньшей мере частично из одной или нескольких из предложенных нитей.

Кроме того, предлагается трубчатый термоэлектрический модуль, по меньшей мере, имеющий холодную сторону, горячую сторону, а также расположенные между ними кольцеобразные конструктивные элементы, причем конструктивные элементы имеют по меньшей мере один элемент группы:

- конструктивный элемент, содержащий термоэлектрический материал,

- конструктивный элемент, содержащий электроизолирующий материал,

- конструктивный элемент, содержащий теплоизолирующий материал,

- конструктивный элемент, содержащий электропроводный материал,

- конструктивный элемент, содержащий герметизирующий материал,

- конструктивный элемент, содержащий теплопроводный материал,

и причем, кроме того, по меньшей мере один кольцеобразный конструктивный элемент был изготовлен одним из предложенных здесь способов.

Является совершенно особо предпочтительным, что все кольцеобразные конструктивные элементы трубчатого термоэлектрического модуля были образованы таким, имеющим нить конструктивным элементом. При этом трубчатый термоэлектрический модуль предпочтительно имеет расположенный внутри канал и внешнюю цилиндрическую поверхность, которые в каждом случае могут омываться горячей или холодной средой, так что расположенные между ними кольцеобразные конструктивные элементы внутри и снаружи подвержены разному температурному потенциалу (горячая сторона, холодная сторона).

Далее изобретение, и также технический контекст поясняются более детально на фигурах. Фигуры показывают особо предпочтительные примеры осуществления, которыми изобретение, однако, не ограничено. Одинаковые объекты на отдельных фигурах обозначаются одинаковыми ссылочными обозначениями. Схематически показано на:

Фиг. 1: нить, имеющая протяженность,

Фиг. 2: нить в продольном разрезе,

Фиг. 3: нить согласно фиг. 2 в поперечном разрезе,

Фиг. 4: еще одна нить в поперечном разрезе,

Фиг. 5: шаг а) способа,

Фиг. 6: шаг б) способа,

Фиг. 7: шаги в) и г) способа,

Фиг. 8: приемный элемент с ребрами согласно шагу г) способа,

Фиг. 9: термоэлектрический модуль, и

Фиг. 10: нить с изменяющейся площадью поперечного сечения вдоль протяженности.

На фиг. 1 показана нить 1, имеющая протяженность 2. Вдоль протяженности 2 нить подразделена на несколько участков 24 (секторов нити), которые вдоль направления протяженности 10 примыкают друг к другу. На левом участке 24 нить 1 содержит термоэлектрический материал 3. На среднем участке 24 нить 1 имеет электроизолирующий материал 6. На правом участке 24 нить 1 имеет теплоизолирующий материал 7. На разных участках 24 могут иметься разные параметры 11 материалов. Нить 1 состоит по меньшей мере из одного волокна 5. На левом участке 24 отмечен фрагмент II.

На фиг. 2 показан фрагмент II из фиг. 1 и нить 1 (для наглядности увеличенная) в продольном разрезе. Нить 1 простирается в направлении протяженности 10 и образуется несколькими скрученными между собой волокнами 5. Прежде всего, отдельные нити 5 имеют разные свойства. Здесь нить 1 образуется волокнами 5 из термоэлектрического материала 3, из электроизолирующего материала 6 и из теплоизолирующего материала 7. Кроме того, волокна 5 снабжены покрытием 33.

На фиг. 3 показана нить 1 согласно фиг. 2 в поперечном разрезе 23. Нить 1 имеет покрытие 33, которое (полностью) окружает волокна 5 нити 1 в радиальном направлении 9 снаружи.

На фиг. 4 показана еще одна нить 1 в поперечном разрезе 23. Нить имеет (наибольший) диаметр 22. Нить 1 образуется несколькими волокнами 5, которые в поперечном разрезе 23 расположены рядом друг с другом. Волокнами 5 образуются полости 8, которые здесь заполнены покрытием. Волокна 5 имеют разные параметры 11 материала, так что в периферическом направлении 16, а также в радиальном направлении 9 нить имеет разные параметры 11 материала.

На фиг. 5 показан шаг а) способа, причем обеспечивается нить 1, имеющая протяженность 2. Видно, что нить 1 вдоль направления протяженности 10 разделена на различные участки 24. На этих участках 24 нить 1 имеет соответственно разные свойства. На одном участке 24 нить 1 содержит термоэлектрический материал 3, на других участках 24 - электроизолирующий материал 6 и теплоизолирующий материал 7.

На фиг. 6 показан шаг б) способа, причем обеспечивается трубчатый приемный элемент 13 с внешней периферической поверхностью 14.

На фиг. 7 показаны шаги в) и г) способа, причем несколько нитей 1 наматываются на трубчатый приемный элемент 13, так что на внешней периферической поверхности 14 приемного элемента 13 образуется кольцеобразный конструктивный элемент 12. Кольцеобразные конструктивные элементы 12 расположены в осевом направлении один за другим.

Нанесение термоэлектрического материала может происходить до, во время и/или после намотки, как это здесь, например, обозначено процессом в разные моменты времени.

Прежде всего, могут быть предусмотрены дополнительные шаги способа, которые, прежде всего, включают шаги по спеканию при повышенной температуре и/или повышенном давлении. Это значит, например, что система, как она имеется на данный момент, может быть подана на процесс спекания, причем система нитей вместе с материалом, при необходимости, уплотняется, отверждается и/или подвергается термообработке. При этом карманы могут, при необходимости, быть разделены и обрабатываться отдельно.

Само собой разумеется, что специалисту сразу бросается в глаза, что здесь могут быть интегрированы дополнительные (подчиненные) процессы, как например, резка нити на мерные длины, разложение трубчатого приемного элемента и тому подобное.

На фиг. 8 показан трубчатый приемный элемент 13 с ребрами 17, которые простираются в периферическом направлении 16 вокруг трубчатого приемного элемента 13. Ребрами 17 образуются карманы 19 между ребрами 17 и на внешней периферической поверхности 14, которые по меньшей мере частично заполняются нитью 1. Здесь ребра 17 изготовлены из электроизолирующего материала 6, так что образованные нитью 1 кольцеобразные конструктивные элементы 12 из термоэлектрического материала 3 могут располагаться электрически изолированно друг от друга в осевом направлении. При этом в соседних карманах имеется, прежде всего, легированный примесью n-типа и легированный примесью р-типа термоэлектрический материал 3, так что в карманах 19 образованы кольцеобразные легированные примесью n-типа и легированные примесью р-типа полупроводниковые элементы (38).

Кроме того, здесь показано, что в карманах 19, наряду с термоэлектрическим материалом 3, также имеется нетермоэлектрический материал 4. Прежде всего, этот нетермоэлектрический материал 4 имеет меньшую электрическую проводимость, чем термоэлектрический материал 3, а также меньшую тепловодность. Посредством комбинации термоэлектрического материала 3 и нетермоэлектрического материала 4 можно оказывать влияние на так называемую «степень наполнения» кольцеобразного конструктивного элемента 12. В отношении степени наполнения указывается на DE 10 2010 030 259 А1, на которую тем самым делается ссылка в полном объеме. В отношении степени наполнения, там говорится, что эффективность термоэлектрического модуля повышается не только за счет как можно большей доли термоэлектрического материала между горячей стороной и холодной стороной, но и за счет поддержания максимального температурного потенциала между горячей и холодной стороной.

Производимая электрическая мощность термоэлектрического модуля получается, в упрощенном выражении, из произведения термоэлектрического КПД модуля и возникающего на более горячей стороне термоэлектрического модуля теплового потока Q. В общем, термоэлектрический КПД возрастает с ростом термического сопротивления функционального слоя между горячей стороной и холодной стороной, так как в результате этого увеличивается разность температур между горячей стороной и холодной стороной. Это, прежде всего, означает, что электрическая мощность является функцией термического сопротивления термоэлектрического модуля. Термическое сопротивление термоэлектрического модуля получается из теплопроводности полупроводникового элемента (то есть здесь термоэлектрический материал 3 и нетермоэлектрический материал 4), геометрических размеров полупроводниковых элементов, теплопроводности расположенной между полупроводниковыми элементами электрической изоляции (например, здесь ребра 17), а также их геометрических размеров.

На фиг. 9 показан трубчатый термоэлектрический модуль 15, который образуется внутренней оболочкой 26 и внешней оболочкой 25. Трубчатый термоэлектрический модуль 15 простирается вдоль центральной оси 27 и имеет канал 28 внутри внутренней оболочки 26. Здесь показано, что по каналу 28 протекает охлаждающее средство 29, и что внешняя оболочка 25 обтекается горячей текучей средой 30. Таким образом, на внешней оболочке 25 образована горячая сторона 21, а, соответственно, на внутренней оболочке - холодная сторона 20 термоэлектрического модуля 15. Однако в соответствии с изобретением также возможно реверсирование этого расположения.

Между внутренней оболочкой 26 и внешней оболочкой 25 расположены кольцеобразные конструктивные элементы 12 из по меньшей мере термоэлектрического материала 3, которые посредством электропроводного материала 31 попеременно соединены между собой. Наряду с кольцеобразными конструктивными элементами 12 из термоэлектрического материала 3 (и, при необходимости, дополнительно нетермоэлектрического материала 4), прежде всего, все прочие конструктивные детали термоэлектрического модуля 15 также могут быть образованы соответственно изготовленными кольцеобразными конструктивными элементами 12. Это относится, прежде всего, к внешней оболочке 25 и внутренней оболочке 26, которые предпочтительно образованы из теплопроводного материала 32, к электроизолирующему материалу 6 на внешней оболочке 25 и на внутренней оболочке 26, электро- и теплоизолирующему материалу 6, 7 между термоэлектрическими материалами 3 (полупроводниковыми элементами 38), герметизирующему термоэлектрический модуль 15 по отношению к внешней среде материалу 34 и электропроводному материалу 31, который попеременно соединяет между собой кольцеобразные конструктивные элементы 12 из термоэлектрического материала 3.

На фиг. 10 показана нить 1 с изменяющейся площадью 35 поперечного сечения вдоль протяженности 2. При этом диаметр 22 или же величина площади 35 поперечного сечения изменяется вдоль протяженности 2 ступенями или в виде непрерывного изменения 37.

За счет применения указанной нити предлагается новый способ изготовления для кольцеобразных конструктивных элементов и для термоэлектрических модулей. Эти термоэлектрические модули изготавливаются экономично и без больших аппаратных затрат, так как здесь допуски конструктивных деталей должны учитываться лишь в незначительной мере.

За счет применения нити, прежде всего, нагрузки в периферическом направлении термоэлектрического модуля, то есть, прежде всего, напряжения, индуцированные тепловыми расширениями, лучше компенсируются или же переносятся без отказов. Намотанная в периферическом направлении нить дает высокую механическую прочность отдельных кольцеобразных конструктивных деталей, а также изготовленного так термоэлектрического модуля.

Кольцеобразные конструктивные элементы не ограничены круглой или овальной формой, и являются в равной мере изготавливаемыми и многоугольные конструктивные детали, например, в форме прямоугольного параллелепипеда. Прежде всего, изготовленные в соответствии с изобретением кольцеобразные конструктивные детали комбинируются с изготовленными традиционно из спеченного материала или сплошного материала кольцеобразными конструктивными элементами.

Изобретение относится к области термоэлектричества, а именно к технологии изготовления конструктивных элементов для термоэлектрических модулей. Сущность: способ изготовления конструктивного элемента (12) для термоэлектрического модуля (15) имеет следующие шаги: а) обеспечение по меньшей мере одной нити (1), имеющей протяженность (2), б) обеспечение трубчатого приемного элемента (13), имеющего внешнюю периферическую поверхность (14), в) нанесение термоэлектрического материала (3) по меньшей мере на одну нить (1), г) наматывание по меньшей мере одной нити (1) вокруг трубчатого приемного элемента (13), так что на внешней периферической поверхности (14) образовывается по меньшей мере один кольцеобразный конструктивный элемент (12) для термоэлектрического модуля (15). Технический результат: упрощение технологии изготовления и согласования допусков конструктивных деталей. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ изготовления конструктивного элемента (12) для термоэлектрического модуля (15), включающий по меньшей мере следующие шаги:

а) обеспечение по меньшей мере одной нити (1), имеющей протяженность (2),

б) обеспечение трубчатого приемного элемента (13), имеющего внешнюю периферическую поверхность (14),

в) нанесение термоэлектрического материала (3) по меньшей мере на одну нить (1),

г) наматывание по меньшей мере одной нити (1) вокруг трубчатого приемного элемента (13) с образованием на внешней периферической поверхности (14) по меньшей мере одного кольцеобразного конструктивного элемента (12), размещаемого вместе с другими кольцеобразными конструктивными элементами (12) между внешней оболочкой и внутренней оболочкой трубчатого термоэлектрического модуля.

2. Способ по п. 1, причем трубчатый приемный элемент (13) имеет по меньшей мере одно, по меньшей мере частично обегающее в периферическом направлении (16) ребро (17), так что в осевом направлении (18) на внешней периферической поверхности (14) трубчатого приемного элемента (13) образованы карманы (19), которые по меньшей мере частично заполняют по меньшей мере одной нитью (1).

3. Способ по п. 1, причем обеспечивают несколько нитей (1), которые одновременно на шаге г) наносят на трубчатый приемный элемент (13).

4. Способ по п. 2, причем обеспечивают несколько нитей (1), которые одновременно на шаге г) наносят на трубчатый приемный элемент (13).

5. Способ по одному из пп. 1-4, причем совместно наматывают по меньшей мере одну нить из нетермоэлектрического материала (4).

6. Способ по одному из пп. 1-4, причем шаг в) по меньшей мере частично выполняют одновременно с шагом г) или после него.

7. Способ по одному из пп. 1-4, причем по меньшей мере одна нить (1) вдоль протяженности (2) содержит, по меньшей мере, различные термоэлектрические материалы (3) или нетермоэлектричские материалы (4).

8. Способ по одному из пп. 1-4, причем по меньшей мере на одну нить (1) вдоль ее протяженности (2) нанесено покрытие из материала (3, 4).

9. Способ по одному из пп. 1-4, причем нить (1) имеет по меньшей мере одно из следующих свойств:

- по меньшей мере одно волокно (5), которое имеет прочность на растяжение по меньшей мере 200 Н/мм²,

- несколько волокон (5), которые скручены между собой,

- различные по меньшей мере в радиальном направлении (9) или в направлении (10) протяженности параметры (11) материалов,

- наличие полостей (8), которые по меньшей мере частично заполнены по меньшей мере одним материалом из следующей группы,

- термоэлектрический материал (3),

- электроизолирующий материал (6),

- электропроводный материал (31),

- теплоизолирующий материал (7),

- теплопроводный материал (32),

- герметизирующий материал (34).

10. Способ по одному из пп. 1-4, причем нить (1) имеет разные в направлении своей протяженности (2) площади (35) поперечного сечения.

11. Трубчатый термоэлектрический модуль (15), имеющий холодную сторону (20), горячую сторону (21) и расположенные между ними содержащие термоэлектрический материал (3) кольцеобразные конструктивные элементы (12), изготовленные способом по одному из п.п. 1-10.

12. Трубчатый термоэлектрический модуль (15) по п. 11, дополнительно содержащий по меньшей мере один кольцеобразный конструктивный элемент из группы:

- конструктивный элемент (12), содержащий электроизолирующий материал (6),

- конструктивный элемент (12), содержащий теплоизолирующий материал (7),

- конструктивный элемент (12), содержащий электропроводный материал (31),

- конструктивный элемент (12), содержащий теплопроводный материал (32),

- конструктивный элемент (12), содержащий герметизирующий материал (34).