ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2017 года по МПК H01L35/28 

Изобретение относится к термоэлектрическому модулю и способу эксплуатации термоэлектрического модуля.

Термоэлектрические модули отдельно или в определенном множестве применяются в качестве термоэлектрического генератора, который из температурного потенциала и результирующего из него теплового потока вырабатывает электрическую энергию. Выработка электрической энергии происходит на основе так называемого эффекта Зеебека. Термоэлектрические модули выполнены из электрически соединенных между собой легированных примесью p-типа и легированных примесью n-типа термоэлектрических материалов. Термоэлектрические материалы имеют так называемую горячую сторону и расположенную напротив нее холодную сторону, через которые они в каждом случае электрически проводящим образом попеременно соединены с другими термоэлектрическими материалами. При этом горячая сторона теплопроводным образом соединена со стенкой термоэлектрического модуля, на которую подается горячая среда. Соответственно, холодная сторона термоэлектрического материала находится в теплопроводном соединении с другой стенкой термоэлектрического модуля, на которую подается холодная среда.

Термоэлектрические генераторы применяются, прежде всего, в автомобилях, но и в других областях техники, в которых температурный потенциал посредством установки термоэлектрических генераторов может быть использован для выработки электрической энергии.

При использовании термоэлектрических генераторов часто наблюдается снижение эффективности в отношении преобразования тепловой энергии в электрическую энергию в течение срока службы термоэлектрического генератора. Это возникающее во время эксплуатации проявление износа может быть объяснено, прежде всего, тем, что соединения между термоэлектрическим материалом и другими соединительными слоями к первой стенке и/или ко второй стенке термоэлектрического модуля в возрастающей степени ухудшаются. Эти ухудшения теплопроводных и/или электропроводных соединений вызываются, прежде всего, тем, что термоэлектрический модуль регулярно подвергается переменным или меняющимся температурам и температурным потенциалам. К термоэлектрическому модулю соответственно подводят нагрузку посредством переменных тепловых расширений и результирующих термических напряжений. К тому же, различные коэффициенты теплового расширения в отдельных соединительных слоях усиливают эти нагрузки.

В соответствии с этим 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 имеет равномерную высокую эффективность при преобразовании тепловой энергии в электрическую энергию в течение длительного срока службы. Кроме того, должен быть указан способ эксплуатации термоэлектрического модуля, который также делает возможным продленный срок службы термоэлектрического модуля без того, чтобы в возрастающей мере снижалась эффективность.

Эти задачи решены посредством термоэлектрического модуля в соответствии с признаками п. 1 или 2 формулы изобретения и способа эксплуатации термоэлектрического модуля по п. 7 формулы изобретения. Благоприятные варианты осуществления указаны в сформулированных как зависимые пунктах формулы. Следует указать на то, что приведенные в формуле изобретения отдельно признаки могут быть комбинированы между собой 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. Кроме того, следует указать на то, что описанные по отношению к термоэлектрическому модулю варианты осуществления в равной мере являются технически рациональным образом применимыми к способу эксплуатации термоэлектрического модуля и наоборот.

Термоэлектрический модуль согласно изобретению по меньшей мере имеет первую стенку и расположенную напротив нее вторую стенку, а также расположенные между ними элементы из термоэлектрического материала, которые соединены между собой электрически проводящим образом. Кроме того, предусмотрен наполнительный материал, посредством которого все элементы расположены на расстоянии друг от друга. При этом главное направление теплового потока проходит от образованной первой стенкой горячей стороны ко второй стенке. Предусмотрено, что при эксплуатации термоэлектрического модуля по меньшей мере в температурном диапазоне от 50 до 600°C [градусов Цельсия] на горячей стороне, воздействующее на элементы в главном направлении теплового потока, второе напряжение сжатия не превышает по меньшей мере первое предельное напряжение или не превышает по меньшей мере второе предельное напряжение. Первое предельное напряжение является (зависящим от температуры) свойством элементов из термоэлектрического материала, при превышении которого начинается поперечное сжатие используемого термоэлектрического материала. Второе предельное напряжение является (зависящим от температуры) свойством элементов из термоэлектрического материала, при превышении которого начинается пластическая деформация термоэлектрического материала.

Прежде всего, действительно, что, если достигается второе предельное напряжение, поперечное сжатие термоэлектрического материала уже началось.

Следующий термоэлектрический модуль согласно изобретению по меньшей мере имеет первую стенку и расположенную напротив нее вторую стенку, а также расположенные между ними элементы из термоэлектрического материала, причем термоэлектрические материалы соединены между собой электрически проводящим образом. Кроме того, предусмотрен наполнительный материал, посредством которого все элементы расположены на расстоянии друг от друга. Главное направление теплового потока проходит исходя из первой стенки ко второй стенке. К термоэлектрическому модулю посредством по меньшей мере одной силы сжатия приложено напряжение так, что напряжение сжатия поперек главного направления теплового потока по меньшей мере в области, в которой температурный потенциал между первой стенкой и второй стенкой составляет по меньшей мере 50 градусов Кельвина, прежде всего по меньшей мере 200 градусов Кельвина составляет по меньшей мере 50% второго напряжения сжатия в главном направлении теплового потока, прежде всего по меньшей мере 75%, а предпочтительно по меньшей мере равно по величине второму напряжению сжатия (больше 100%). При этом, прежде всего, первое напряжение сжатия (а предпочтительно, и второе напряжение сжатия) воздействует на большинство элементов, предпочтительно на все элементы внутри термоэлектрического модуля.

Вышеуказанные признаки согласно изобретению также могут присутствовать также и в комбинации друг с другом.

Настоящее изобретение является применимым к различным вариантам выполнения термоэлектрических модулей. При этом следует назвать, прежде всего, выполненные трубчатыми термоэлектрические модули или выполненные пластинчатыми термоэлектрические модули, причем в трубчатых термоэлектрических модулях, например, применяются кольцеобразные термоэлектрические материалы.

Прежде всего, первая стенка отнесена к горячей стороне термоэлектрического модуля, на которую подается горячая среда (например, отработавший газ (ОГ)). Соответственно, вторая стенка термоэлектрического модуля отнесена к холодной стороне, на которую подается холодная среда (например, охлаждающая жидкость). Между горячей средой и холодной средой при эксплуатации, как правило, имеется температурный потенциал, прежде всего, в диапазоне от 50 К [градусов Кельвина] до 600 К. Между первой стенкой и второй стенкой расположены элементы из термоэлектрического материала, причем термоэлектрические материалы имеют две противолежащие стороны, которые соответственно обращены к горячей стороне или холодной стороне, так что через термоэлектрический материал образуется температурный потенциал и, соответственно, образуется главное направление теплового потока от горячей стороны к холодной стороне. Вследствие эффекта Зеебека из этого температурного потенциала и посредством попеременно электрически проводящего соединения легированных примесью n-типа и легированных примесью р-типа термоэлектрических материалов внутри термоэлектрического модуля вырабатывается электрический ток. Принципиальное выполнение схемы электрических соединений таких элементов из термоэлектрического материала специалисту известно, при необходимости, дополнительную информацию по этому вопросу можно получить из публикаций автора.

Наполнительный материал между термоэлектрическими элементами служит, с одной стороны, прежде всего, для электрической изоляции расположенных по соседству друг с другом термоэлектрических материалов и/или, с другой стороны, для термической изоляции между горячей стороной и холодной стороной, так чтобы большая часть теплового потока проводилась через термоэлектрические элементы. Тем самым является возможным эффективное преобразование тепловой энергии из имеющегося температурного потенциала в электрическую энергию.

С другой стороны, наполнительный материал предусмотрен, прежде всего, для удаления друг от друга расположенных смежно термоэлектрических материалов или, другими словами, при всех условиях эксплуатации удерживать на (заданном) расстоянии. То есть, прежде всего, наполнительный материал образован не воздухом или вакуумом, а по меньшей мере одним твердым телом, которое устойчиво фиксирует положение термоэлектрических материалов относительно друг друга. Между термоэлектрическими материалами и первой стенкой и/или второй стенкой и/или также между термоэлектрическими материалами и наполнительным материалом могут быть расположены дополнительные компоненты или соединительные слои, которые выполняют специфические задачи, такие как, например, предотвращение коррозии, получение прочного (например, сплошного) соединения, обеспечение электрического проводящего слоя, обеспечение теплопроводящего слоя, электрическая изоляция и/или термическая изоляция.

В качестве наполнительного материала может применяться, прежде всего, слюда или прочная на сжатие керамика. Предпочтительно применяется керамика в виде керамического полого тела. Кроме того, наполнительный материал может применяться в форме двутаврового профиля. Предпочтительно наполнительный материал применяется в виде жесткой благодаря своей форме конструкции, прежде всего, в форме фахверковой конструкции. Предусмотренные в нем полости наполнены, прежде всего, воздухом, газом или вакуумом.

Наблюдалось, что термоэлектрический материал в результате термической нагрузки вследствие имеющегося температурного потенциала и, прежде всего, в результате связанных с этим термических напряжений имеет усиленную склонность к поперечному сжатию и/или склонность к ползучести или же склоняется к пластической деформации, которая соответственно ведет к ухудшению соединения между термоэлектрическим материалом и другими соединительными слоями, прежде всего к первой стенке или же ко второй стенке. Эти термические напряжения вызываются, прежде всего, также расположением термоэлектрических материалов в стабильном по форме термоэлектрическом модуле, так что термоэлектрические материалы могут расширяться только под напряжением.

Склонность к ползучести/пластическая деформация может быть уменьшена или же предотвращена, прежде всего, за счет того, что термоэлектрический модуль выполнен так, что по меньшей мере в температурном диапазоне от 50 до 600°C [градусов Цельсия] на горячей стороне воздействующее на элементы в главном направлении теплового потока второе напряжение сжатия не превышает второе предельное напряжение. Второе предельное напряжение является воздействующим на термоэлектрические материалы напряжением, при котором начинается пластическая деформация используемого термоэлектрического материала.

Поперечное сжатие термоэлектрического материала может быть уменьшено или же предотвращено, прежде всего, за счет того, что термоэлектрический модуль выполнен так, что по меньшей мере в температурном диапазоне от 50 до 600°C [градусов Цельсия] на горячей стороне воздействующее на элементы в главном направлении теплового потока второе напряжение сжатия не превышает первое предельное напряжение. Первое предельное напряжение является воздействующим на термоэлектрические материалы напряжением, при котором уже начинается упругая деформация используемого термоэлектрического материала.

Поперечное сжатие - это явление деформации твердого тела при остающемся приблизительно таким же объеме. Оно описывает поведение твердого тела под влиянием силы растяжения или же силы сжатия (здесь второго напряжения сжатия). В направлении силы (здесь второе напряжение сжатия) тело реагирует изменением длины (здесь сокращение в главном направлении теплового потока) перпендикулярно ему (в направлении поперек главного направления теплового потока) уменьшением или же увеличением своего диаметра или своей толщины (здесь расширение, то есть увеличение толщины термоэлектрического материала). Изменение длины при одноосном растяжении в линейно-упругой области может быть определено по упрощенному закону Гука. Однако закон Гука в его упрощенной форме ничего не говорит об изменении толщины.

Прежде всего, первое предельное напряжение (явно) меньше, чем второе предельное напряжение. Для такой конструкции, прежде всего, материал для первой стенки и/или второй стенки должен быть соответственно согласован с термоэлектрическим материалом и/или наполнительным материалом относительно теплового расширения, теплопроводности, прочности. Прежде всего, при необходимости, дополнительно должно быть адаптировано конструктивное выполнение термоэлектрического модуля. Например, могут быть предусмотрены тензоэлементы, которые делают возможной упругую деформацию первой стенки и/или второй стенки, так чтобы минимизировалось воздействующее на элементы (второе) напряжение сжатия.

Первое и второе предельное напряжение являются, соответственно, прежде всего, специфическими для используемого термоэлектрического материала и, прежде всего, зависимыми по меньшей мере от температуры термоэлектрического материала. Кроме того, первое и второе предельные напряжения зависят от воздействующего на термоэлектрический материал напряжения, которое противоположно направлению расширения (в случае с первым/вторым предельным напряжением) или направлению склонности к ползучести (в случае со вторым предельным напряжением) термоэлектрического материала. Прежде всего, это значит, что первое и второе предельные напряжения термоэлектрического материала могут подвергаться влиянию (повышаться), если повышается воздействующее на термоэлектрические материалы первое напряжение сжатия. Это происходит, прежде всего, саморегулирующим образом, например, за счет того, что наполнительные материалы между термоэлектрическими материалами при нагревании расширяются в направлении поперек главного направления теплового потока сильнее, чем термоэлектрический модуль в целом.

Указанные ниже термоэлектрические материалы имеют при указанных температурах и без дополнительной сжимающей нагрузки (например, дополнительно в результате первого напряжения сжатия) следующие вторые предельные напряжения, при превышении которых следует рассчитывать на пластическую деформацию:

В соответствии с еще одним вариантом термоэлектрического модуля поперечное сжатие и/или склонность к ползучести/пластическая деформация могут быть уменьшены или же предотвращены за счет того, что к термоэлектрическому модулю подводят нагрузку с помощью по меньшей мере одной силы сжатия, так что первое напряжение сжатия воздействует на элементы поперек главного направления теплового потока, причем здесь является предпочтительным, подводить нагрузку этой силой сжатия, по возможности, на большое количество или даже на все элементы. Это происходит по меньшей мере в области, в которой имеется указанный температурный потенциал, так что это первое напряжение сжатия тогда составляет по меньшей мере 50% второго напряжения сжатия в главном направлении теплового потока.

Второе напряжение сжатия вызывается, прежде всего, беззазорным расположением термоэлектрических материалов в направлении от первой стенки ко второй стенке, то есть в главном направлении теплового потока. Вследствие температурного потенциала происходит тепловое расширение расположенных между первой стенкой и второй стенкой компонентов термоэлектрического модуля, так что возникает или же повышается второе напряжение сжатия в главном направлении теплового потока. Это второе напряжение сжатия противодействует тепловому расширению отдельных компонентов в главном направлении теплового потока и ведет, прежде всего, в термоэлектрическом материале к расширению (в результате поперечного сжатия) и/или к склонности к ползучести в направлении поперек главного направления теплового потока. Поперечное сжатие и/или склонность к ползучести неожиданно может быть уменьшено или же полностью пресечено путем приложения по меньшей мере первого напряжения сжатия поперек главного направления теплового потока.

Прежде всего, должны быть соответственно предусмотрены другие первые напряжения сжатия, так чтобы во всех направлениях поперек главного направления теплового потока это поперечное сжатие и/или эта склонность к ползучести были уменьшены или же полностью пресечены. Таким образом, также было впервые признано, что вопреки обычному мнению допускать тепловое расширение со средствами компенсации, в термоэлектрическом модуле что-то типа сжимающей рамки для элементов приводит к улучшенной эффективности в течение срока службы.

Один благоприятный вариант термоэлектрического модуля направлен на то, что наполнительный материал, по меньшей мере, в температурном диапазоне от 50 до 600°C имеет больший коэффициент теплового расширения, чем термоэлектрический материал. Наполнительный материал, по меньшей мере, в направлении поперек главного направления теплового потока расположен между термоэлектрическими материалами так, что термоэлектрические материалы посредством наполнительного материала (и, при необходимости, посредством других компонентов или соединительных слоев) опираются друг о друга, то есть в этом направлении расположены без зазоров между собой. Таким образом, наполнительный материал фиксирует термоэлектрические материалы в их соответствующем положении относительно друг друга. За счет выполнения наполнительного материала с большим коэффициентом теплового расширения, чем у термоэлектрического материала при нагревании наполнительного материала и других компонентов в термоэлектрическом модуле может быть произведена или (значительно) увеличена сила сжатия или же напряжение сжатия в направлении поперек главного направления теплового потока (лишь только во время эксплуатации). Прежде всего, для этого должно быть обеспечено в значительной степени стабильное по форме выполнение термоэлектрического модуля в этом направлении поперек главного направления теплового потока. Тогда сила сжатия снаружи не должна быть приложена к термоэлектрическому модулю так, чтобы соответственно образовывалось напряжение сжатия внутри термоэлектрического модуля, так чтобы большинство элементов (или все элементы) нагружалось достаточным напряжением сжатия. Вместо этого, это напряжение сжатия может быть так произведено между большинством элементов (или всеми элементами) посредством наполнительного материала во взаимодействии с термоэлектрическими материалами.

Еще один благоприятный вариант термоэлектрического модуля направлен на то, чтобы наполнительный материал по меньшей мере в температурном диапазоне от 50 до 600°C имел меньшую теплопроводность [ватт/(метр*Кельвин)], чем термоэлектрический материал. Прежде всего, величина теплопроводности наполнительного материала составляет не более 10% соответствующей величины термоэлектрического материала, предпочтительно не более 1%.

Еще один благоприятный вариант термоэлектрического модуля предусматривает, что наполнительный материал, при рассмотрении по меньшей мере в направлении параллельно главному направлению теплового потока, заполняет промежуточное пространство между первой стенкой и второй стенкой не полностью. Прежде всего, является благоприятным, что наполнительный материал фиксирует положение термоэлектрических материалов относительно друг друга, но, в то же время, покрывает не всю боковую поверхность термоэлектрических материалов, которая соответственно обращена к расположенным по соседству термоэлектрическим материалам. Прежде всего, не более 80%, предпочтительно не более 50%, и особо предпочтительно не более 20%, этой боковой поверхности через наполнительный материал нагружено напряжением сжатия, причем это не должно в равной мере относиться ко всем элементам или же термоэлектрическим материалам отдельного модуля. Через наполнительный материал сила сжатия или же напряжение сжатия переносится на термоэлектрический материал. За счет соответствующего расположения наполнительного материала, прежде всего, может быть реализована термическая изоляция между первой стенкой и второй стенкой особенно благоприятным образом, и наполнительный материал не должен настоятельно выполнять это термическое изолирующее свойство. Например, воздух, вакуум или другой теплоизоляционный материал может быть применен дополнительно к наполнительному материалу.

Одно благоприятное усовершенствование термоэлектрического модуля направлено на то, что на холодной стороне расположено сжимающее устройство для создания силы сжатия на термоэлектрический модуль в направлении поперек главного направления теплового потока. Прежде всего, эта компоновка содержит соединенное, например, со второй стенкой сжимающее устройство. Это сжимающее устройство выполняется, прежде всего, термически изолированно от первой стенки. В результате этого сжимающее устройство имеет незначительное тепловое расширение, несмотря на имеющийся температурный потенциал, и может обеспечивать стабильность формы термоэлектрического модуля в направлении поперек главного направления теплового потока в рассматриваемом температурном диапазоне. Сжимающее устройство может быть, прежде всего, механическим или же гидравлическим устройством. Прежде всего, оно образуется за счет особо жесткой по форме выполнения холодной стороны или же второй стенки, так что в рассматриваемом температурном диапазоне, исходя из сжимающего устройства, может быть создана (остающаяся по существу неизменной или адаптированная) сила сжатия относительно термоэлектрических материалов и наполнительного материала.

Прежде всего, сжимающее устройство (дополнительно) предусмотрено на первой стенке (горячей стороне).

Сжимающее устройство может содержать, прежде всего, упругодеформируемый элемент, который при более сильной деформации может вводить в термоэлектрический модуль соответственно более высокое напряжение сжатия. Например, может быть предусмотрена пружина сжатия, которая при непрерывном расширении термоэлектрического модуля или же при расширении элементов в направлении поперек главного направления теплового потока создает соответственно возрастающее напряжение сжатия. За счет этого возрастающего напряжения сжатия упругое расширение и/или пластическая деформация термоэлектрических материалов в направлении поперек главного направления теплового потока уменьшается или предотвращается.

Кроме того, изобретение направлено на способ эксплуатации термоэлектрического модуля, причем термоэлектрический модуль имеет первую стенку и вторую стенку и расположенные между ними элементы из термоэлектрического материала, которые соединены между собой электрически проводящим образом. При эксплуатации термоэлектрического модуля между первой стенкой и второй стенкой имеется температурный потенциал, и, соответственно, главное направление теплового потока проходит от первой стенки ко второй стенке. Способ эксплуатации, по меньшей мере, имеет следующие шаги:

а) создание температурного потенциала между первой стенкой и второй стенкой, б) приложение по меньшей мере силы сжатия для создания первого напряжения сжатия поперек главного направления теплового потока, причем напряжение сжатия воздействует по меньшей мере на большинство элементов,

в) обеспечение того, что по меньшей мере в одной рабочей области, в которой температурный потенциал между первой стенкой и второй стенкой составляет по меньшей мере 50 градусов Кельвина, первое напряжение сжатия составляет по меньшей мере 50% второго напряжения сжатия в главном направлении теплового потока, прежде всего по меньшей мере 75%, и особо предпочтительно имеет такую же величину, как и второе напряжение сжатия.

Высказывания по соответствующему термоэлектрическому модулю соответственно относятся к способу эксплуатации термоэлектрического модуля и наоборот. Прежде всего, описанный здесь согласно изобретению способ подходит для эксплуатации в каждом случае соответствующего изобретению термоэлектрического модуля.

Создание температурного потенциала в соответствии с шагом а) содержит подачу на первую стенку горячей среды и подачу на вторую стенку холодной среды. Прежде всего, должны быть предусмотрены ОГ или жидкая среда в качестве горячей среды и, например, вода или сходная жидкость, или же газообразная среда в качестве холодной среды.

Шаг б) содержит приложение по меньшей мере силы сжатия, которая, прежде всего, посредством сжимающего устройства может быть приложена извне к термоэлектрическому модулю и/или создана внутри термоэлектрического модуля, например, посредством соответствующих коэффициентов теплового расширения термоэлектрического материала и наполнительного материала.

Обеспечение соотношения напряжений сжатия в соответствии с шагом с) содержит, прежде всего, соответствующий конструктивный расчет термоэлектрического модуля уже до начала эксплуатации. Прежде всего, обеспечение содержит контроль и соответствующее воздействие, так, первое и/или второе напряжение сжатия рассчитывается, измеряется или определяется другим образом, и создается соответствующее первое напряжение сжатия. Под «обеспечением», прежде всего, также подразумевается контроль, регулирование и/или адаптация силы сжатия (при необходимости, и во время эксплуатации).

В соответствии с одним благоприятным вариантом способа на первое напряжение сжатия поперек главного направления теплового потока оказывается влияние посредством внешнего регулирования по меньшей мере одной силы сжатия. Это внешнее регулирование может быть реализовано, например, посредством сжимающего устройства, с помощью которого может быть создана регулируемая механическая и/или гидравлическая сила сжатия.

В соответствии с одним благоприятным усовершенствованием первое напряжение сжатия изменяется саморегулирующим образом. Это может быть обеспечено, прежде всего, посредством соответствующего расчета свойств термоэлектрического материала и наполнительного материала. «Саморегулирующим» здесь означает, прежде всего, то, что не происходит активного, внешнего регулирования напряжения сжатия, а, прежде всего, что конструкция рассчитана так, что заданное отношение напряжений сжатия во время эксплуатации термоэлектрического модуля в различных температурных диапазонах адаптируется автоматически или же пассивно. Особенно благоприятным образом комбинируются между собой внешние регулировки и саморегулирующие меры.

Кроме того, предлагается термоэлектрический генератор, который по меньшей мере имеет два предлагаемых в изобретении термоэлектрических модуля и сжимающее устройство (прежде всего, единственное сжимающее устройство), нагружающее термоэлектрические модули совместно по меньшей мере одной силой сжатия для создания первого напряжения сжатия. То есть особенно благоприятным образом, не каждый отдельный термоэлектрический модуль термоэлектрического генератора нагружается созданной в каждом случае отдельно силой сжатия, а, например, общее сжимающее устройство конструктивно рассчитано так, что несколько термоэлектрических модулей могут нагружаться соответственно одновременно. Прежде всего, несколько термоэлектрических модулей соответственно могут быть расположены друг за другом, так что сила сжатия переносится и между термоэлектрическими модулями.

Кроме того, предлагается автомобиль, по меньшей мере имеющий термоэлектрический модуль согласно изобретению или термоэлектрический генератор согласно изобретению. При этом этот модуль и/или этот генератор могут быть выполнены для эксплуатации описанным согласно изобретению способом.

Далее изобретение и технический контекст поясняются более детально на фигурах. На фигурах показаны особо предпочтительные примеры осуществления, которыми изобретение, однако, не ограничено. Схематически показано на:

Фиг. 1: термоэлектрический модуль в виде сбоку,

Фиг. 2: фрагмент термоэлектрического модуля согласно фиг. 1,

Фиг. 3: трубчатый термоэлектрический модуль,

Фиг. 4: диаграмма напряжения сжатия,

Фиг. 5: термоэлектрический генератор,

Фиг. 6: автомобиль.

На фиг. 1 в виде сбоку показан термоэлектрический модуль, внешние стороны которого образуются первой стенкой 2 и второй стенкой 3. Первая стенка 2 и вторая стенка 3 окружают промежуточное пространство 12, в котором расположены элементы 4 из термоэлектрического материала 5 и другие компоненты 19 (изоляция 23, соединения 24, соединительные слои 31, элементы 4 и т.д.) термоэлектрического модуля 1. Первая стенка 2 отнесена к горячей стороне 17, а, соответственно, расположенная напротив вторая стенка 3 отнесена к холодной стороне 13. На первой стенке 2 и на второй стенке 3 в каждом случае расположена изоляция в качестве соединительного слоя 31 между первой стенкой 2 и термоэлектрическими материалами 5. Расположенные по соседству друг с другом элементы 4 из термоэлектрических материалов 5 соответственно попеременно соединены между собой электрически проводящим образом посредством соединений 24 (токопроводящие дорожки, кабели и т.д.).

Термоэлектрические материалы 5 расположены на расстоянии друг от друга посредством наполнительных материалов 6. Здесь показаны различные примеры выполнения наполнительных материалов. При этом наполнительный материал 6 простирается не на всю боковую поверхность 32 термоэлектрического материала 5, а покрывает только частичную область боковой поверхности 32. При необходимости, также предусмотрено несколько наполнительных материалов 6 между расположенными по соседству друг с другом элементами 4. Кроме того, показаны наполнительные материалы 6, которые простираются по всей боковой поверхности 32 термоэлектрического материала 5 и, к тому же, через соединение 24, вплоть до изоляции 23 на первой стенке 2 или второй стенке 3.

Между горячей стороной 17 и холодной стороной 13 образуется температурный потенциал, так что тепловой поток течет в главном направлении 8 теплового потока от горячей стороны 17 к холодной стороне 13, предпочтительно через термоэлектрические материалы 5. В результате этого теплового потока термоэлектрические материалы 5 вследствие эффекта Зеебека вырабатывают электрический ток, который через соединение 24 отводится на соответствующие потребители тока (аккумулятор, электрические потребители и т.д.) вне термоэлектрического модуля 1. На элементы 4 в направлении 16 попрек главного направления 8 теплового потока действует сила сжатия извне на термоэлектрический модуль 1.

На фиг. 2 показан фрагмент из фиг. 1, причем здесь элементы 4 из термоэлектрического материала 5 изображены увеличенными. Между горячей стороной 17 и холодной стороной 13 образуется температурный потенциал 10, который, в свою очередь, создает тепловой поток между горячей стороной 17 и холодной стороной 13 через термоэлектрические материалы 5. Термоэлектрические материалы 5 посредством соединений 24 попеременно соединены между собой электрически проводящим образом и посредством изоляции 23 отделены от первой стенки 2 или же от второй стенки 3.

Показанная на фиг. 1 сила 15 сжатия через расположенный между термоэлектрическими материалами 5 наполнительный материал 6 создает первое напряжение 7 сжатия, которое воздействует на термоэлектрические материалы 5 в направлении 16 поперек главного направления 8 теплового потока. Вследствие термической нагрузки термоэлектрические материалы 5 в направлении параллельно главному направлению 8 теплового потока нагружаются вторым напряжением 11 сжатия, которое вызывает расширение в результате поперечного сжатия и/или ползучесть термоэлектрического материала 5 в направлении 16 поперек главного направления 8 теплового потока. Наполнительные материалы 6 расположены на боковой поверхности 32 термоэлектрического материала 5. За счет первого напряжения 7 сжатия предотвращается расширение вследствие поперечного сжатия и/или ползучесть термоэлектрического материала 5 в направлении 16 поперек главного направления 8 теплового потока.

Для обеспечения непревышения вторым напряжением 11 сжатия первого 34 и второго 35 предельных напряжений материал первой 2 и/или второй 3 стенки согласован с термоэлектрическим 5 и/или наполнительным 6 материалом в отношении теплового расширения, теплопроводности и прочности.

Далее, на фиг. 2 показано, что второе напряжение 11 сжатия может быть уменьшено посредством тензоэлемента 33 в первой стенке 2 и/или во второй стенке 3 и/или между первой и второй стенками 2, 3.

Кроме того, показано, что боковые поверхности 32 термоэлектрических материалов 5 могут иметь дополнительные соединительные слои 31, здесь, например, электрическую изоляцию. Кроме того, здесь показано, что термоэлектрические материалы 5 имеют две противолежащие стороны 30, которые, с одной стороны, через соединения 24 или же изоляцию 23 теплопроводным образом соединены с первой стенкой 2 и второй стенкой 3.

На фиг. 3 показан трубчатый термоэлектрический модуль 1 с первой стенкой 2 и второй стенкой 3. Здесь вторая стенка 3 образует внутренний канал трубчатого термоэлектрического модуля 1, который здесь выполнен как холодная сторона 13 и поэтому является проходимым для потока охлаждающей жидкости 5. Внешняя периферическая поверхность термоэлектрического модуля 1, которая образуется второй стенкой 3, выполнена как горячая сторона 17 и может омываться, например, горячим ОГ. Начиная от горячей стороны 17, создается тепловой поток в главном направлении 8 теплового потока к холодной стороне 13. В результате этого происходит расширение термоэлектрических материалов 5 в направлении параллельно главному направлению 8 теплового потока и соответственно второе напряжение 11 сжатия. Это второе напряжение 11 сжатия вызывается разным расширением отдельных компонентов 19 термоэлектрического модуля 1, например, термоэлектрических материалов 5 и первой стенки 2 и второй стенки 3. Это второе напряжение 11 сжатия за счет приложения силы 15 сжатия, которая вызывает первое напряжение 7 сжатия между термоэлектрическими материалами 5, компенсируется настолько, что расширения вследствие поперечного сжатия и/или ползучести/пластической деформации термоэлектрических материалов 5 в направлении 16 поперек главного направления 8 теплового потока не происходит.

Кроме того, здесь показаны промежуточные пространства 12 между термоэлектрическими материалами 5, в которых расположены наполнительные материалы 6 и посредством которых расположенные по соседству друг с другом термоэлектрические элементы 4 расположены на расстоянии друг от друга. Кроме того, предусмотрены изоляция 23 и соединения 24 соответственно на первой стенке 2 и на второй стенке 3.

На фиг. 4 иллюстративно показана диаграмма напряжений сжатия в рабочей области термоэлектрического модуля 1. На левой вертикальной оси нанесена температура 25, на правой вертикальной оси - величина напряжения 27 сжатия. Горизонтальная ось описывает время 26 работы. Видно, что с увеличением времени 26 работы температура 25 на горячей стороне повышается или же принимает специфическую форму изменения. Соответственно за счет основного теплового потока повышается и температура 25 на холодной стороне 13 термоэлектрического модуля 1. В показанной на горизонтальной оси рабочей области 9 образуется температурный потенциал 10. В этой рабочей области 9 второе напряжение 11 сжатия, которое имеется на термоэлектрических материалах 5 в направлении параллельно главному направлению 8 теплового потока, меньше, чем первое напряжение 7 сжатия, которое нагружает термоэлектрические материалы 5 в направлении 16 поперек главного направления 8 теплового потока. Склонность элементов 4 к расширению вследствие поперечного сжатия (при превышении первого предельного напряжения (34) или вследствие пластической деформации (при превышении второго предельного напряжения (35) в направлении поперек главного направления 8 теплового потока уменьшается или предотвращается посредством нагрузки элементов 4 вторым напряжением 11 сжатия. За счет подвода нагрузки к термоэлектрическим элементам 4, прежде всего, предотвращается превышение первого предельного напряжения 34 и/или второго предельного напряжения 35 термоэлектрического материала.

На фиг. 5 показан термоэлектрический генератор 18 с двумя термоэлектрическими модулями 1. Они имеют соответственно горячую сторону 17 и холодную сторону 13, между которыми в главном направлении 8 теплового потока образуется тепловой поток. Термоэлектрические модули 1 имеют на своей соответственно холодной стороне 13 или же на своей, образующей холодную сторону 13, второй стенке 3 сжимающее устройство 14. Это сжимающее устройство 14 крепится на термоэлектрическом генераторе 18 или же на его корпусе и воздействует в равной мере на соответствующую холодную сторону 13 обоих термоэлектрических модулей 1.

На фиг. 6 показан автомобиль 20 с ДВС 29, системой 28 охлаждения и системой 22 выпуска ОГ. Холодная среда 21, исходя из системы 28 охлаждения, протекает через термоэлектрические модули 1, которые расположены внутри термоэлектрического генератора 18. Кроме того, горячая среда 21, исходя из ДВС или же системы 22 выпуска ОГ, протекает через термоэлектрические модули 1. В результате подачи на термоэлектрические модули 1 ОГ в качестве горячей среды 21 и охлаждающей жидкости в качестве холодной среды 21 на них образуется температурный потенциал, так что в термоэлектрическом генераторе 18 может вырабатываться электрический ток.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Изобретение относится к термоэлектричеству. Сущность: термоэлектрический модуль (1) имеет первую стенку (2) и расположенную напротив нее вторую стенку (3), а также расположенные между ними элементы (4) из термоэлектрического материала (5), которые соединены между собой электрически проводящим образом, а также наполнительный материал (6), посредством которого все элементы (4) расположены на расстоянии друг от друга. Материал первой стенки (2) и/или второй стенки (3) согласован с термоэлектрическим материалом (5) и/или наполнительным материалом (6) в отношении теплового расширения, теплопроводности и прочности таким образом, что при эксплуатации термоэлектрического модуля (1), по меньшей мере в температурном диапазоне от 50 до 600°С на горячей стороне, напряжение (11) сжатия, воздействующее на элементы (4) в главном направлении (8) теплового потока, не превышает по меньшей мере первое предельное напряжение (34), при превышении которого начинается поперечное сжатие используемого термоэлектрического материала (5), или не превышает по меньшей мере второе предельное напряжение (35), при превышении которого начинается пластическая деформация используемого термоэлектрического материала (5). Технический результат: повышение эффективности и срока службы. 5 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Термоэлектрический модуль (1), по меньшей мере имеющий первую стенку (2) и расположенную напротив нее вторую стенку (3), а также расположенные между ними элементы (4) из термоэлектрического материала (5), которые соединены между собой электрически проводящим образом, а также наполнительный материал (6), посредством которого все элементы (4) расположены на расстоянии друг от друга, и главное направление (8) теплового потока, которое проходит от образованной первой стенкой (2) горячей стороны (17) ко второй стенке (3), отличающийся тем, что материал первой стенки (2) и/или второй стенки (3) согласован с термоэлектрическим материалом (5) и/или наполнительным материалом (6) в отношении теплового расширения, теплопроводности и прочности таким образом, что при эксплуатации термоэлектрического модуля (1), по меньшей мере в температурном диапазоне от 50 до 600°С на горячей стороне, напряжение (11) сжатия, воздействующее на элементы (4) в главном направлении (8) теплового потока, не превышает по меньшей мере первое предельное напряжение (34), при превышении которого начинается поперечное сжатие используемого термоэлектрического материала (5), или не превышает по меньшей мере второе предельное напряжение (35), при превышении которого начинается пластическая деформация используемого термоэлектрического материала (5).

2. Термоэлектрический модуль (1), по меньшей мере имеющий первую стенку (2) и расположенную напротив нее вторую стенку (3), а также расположенные между ними элементы (4) из термоэлектрического материала (5), которые соединены между собой электрически проводящим образом, а также наполнительный материал (6), посредством которого все элементы (4) расположены на расстоянии друг от друга, и главное направление (8) теплового потока, которое проходит от образованной первой стенкой (2) горячей стороны (17) ко второй стенке (3), отличающийся тем, что к термоэлектрическому модулю (1) посредством по меньшей мере одной силы (15) сжатия приложено напряжение таким образом, что первое напряжение (7) сжатия поперек главного направления (8) теплового потока по меньшей мере в области (9), в которой температурный потенциал (10) между первой стенкой (2) и второй стенкой (3) составляет по меньшей мере 50 градусов Кельвина, составляет по меньшей мере 50% второго напряжения (11) сжатия в главном направлении (8) теплового потока.

3. Термоэлектрический модуль (1) по п. 1, отличающийся тем, что наполнительный материал (6) по меньшей мере в температурном диапазоне от 50 до 600°С имеет больший коэффициент теплового расширения, чем термоэлектрический материал (5).

4. Термоэлектрический модуль (1) по п. 1, отличающийся тем, что наполнительный материал (6) по меньшей мере в температурном диапазоне от 50 до 600°С имеет меньшую теплопроводность [ватт/(метр*Кельвин)], чем термоэлектрический материал (5).

5. Термоэлектрический модуль (1) по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что наполнительный материал (6), при рассмотрении по меньшей мере в направлении (16) параллельно главному направлению (8) теплового потока, не полностью заполняет промежуточное пространство (12) между первой стенкой (2) и второй стенкой (3).

6. Термоэлектрический модуль (1) по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что на холодной стороне (13) расположено сжимающее устройство (14) для создания силы (15) сжатия на термоэлектрический модуль (1) в направлении (16) поперек главного направления (8) теплового потока.

7. Способ эксплуатации термоэлектрического модуля (1), причем термоэлектрический модуль (1) имеет первую стенку (2) и вторую стенку (3), и расположенные между ними элементы (4) из термоэлектрического материала (5), которые соединены между собой электрически проводящим образом, и при эксплуатации между первой стенкой и второй стенкой имеется температурный потенциал (10), и главное направление (8) теплового потока проходит от первой стенки (2) ко второй стенке (3), причем способ эксплуатации по меньшей мере имеет следующие шаги:

а) создание температурного потенциала между первой стенкой (2) и второй стенкой (3),

б) приложение по меньшей мере одной силы (15) сжатия для создания первого напряжения (7) сжатия поперек главного направления (8) теплового потока, причем напряжение сжатия воздействует по меньшей мере на большинство элементов (4),

в) обеспечение того, что по меньшей мере в области (9), в которой температурный потенциал (10) между первой стенкой (2) и второй стенкой (3) составляет по меньшей мере 50 градусов Кельвина, первое напряжение (7) сжатия составляет по меньшей мере 50% второго напряжения (11) сжатия в главном направлении (8) теплового потока.

8. Способ по п. 7, причем на первое напряжение (7) сжатия поперек главного направления (8) теплового потока оказывают влияние путем внешнего регулирования по меньшей мере одной силы (15) сжатия.

9. Способ по п. 7, причем первое напряжение (7) сжатия изменяют саморегулирующим образом.

10. Термоэлектрический генератор (18), по меньшей мере имеющий два термоэлектрических модуля (1) по одному из пп. 1-6 и сжимающее устройство (14), нагружающее термоэлектрические модули (1) совместно по меньшей мере одной силой (15) сжатия для создания первого напряжения (7) сжатия.

11. Автомобиль (20), по меньшей мере имеющий термоэлектрический модуль (1) по одному из пп. 1-6, или по меньшей мере имеющий термоэлектрический генератор (18) по п. 10.